domingo, 15 de enero de 2017

El código NACA de 4 y 5 dígitos

El National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) fue fundado en marzo de 1915 para emprender, fomentar, e institucionalizar las investigaciones aeronáuticas. Se disolvió en octubre de 1958 para dar paso a la creación de la NASA (National Aeronautics and Space Administration).

Fue el Congreso de los Estados Unidos el encargado de la fundación de esta agencia. Después de terminada la IGM, la incipiente industria aeronáutica norteamericana estaba muy por detrás de otras naciones en el desarrollo de la aerodinámica y la aviación en general. De hecho, la única contribución notable de este país se puede decir que fue el entrenador Curtis JN-1 y el motor Liberty.

El Curtiss JN-4 "Jenny" perteneció a una serie de biplanos biplazas de entrenamiento primario construidas por la Compañía Curtiss, Hammondsport, Nueva York, más tarde, Curtiss Aeroplane & Motor Corporation. Curtiss combinó las mejores características de los entrenadores modelo J y modelo N y comenzó a producir la serie de aviones JN o "Jenny" en 1915. El motor de aviación Liberty L-12 tenía 27 litros de cilindrada. Era un V-12 a 45° refrigerado por agua que rendía 400 CV (300 kW)



Las pruebas y ensayos aerodinámicos que se llevaban acabo eran caóticos y no seguían ninguna metodología. Para colmo cualquiera de los países extranjeros que dominaban la escena internacional había hecho muchos más progresos en el campo de la aeronáutica, produciendo formidables aviones de grandes características. Por ese motivo, el Congreso de los EEUU decidió invertir una gran cantidad de dinero para crear un programa dedicado a fomentar el estudio y la investigación aeronáutica. El objetivo inicial de la incipiente industria norteamericana era el de poder llegar a ponerse a la par de sus rivales extranjeros mucho más adelantados. Para comenzar, la NACA construyó el famoso laboratorio LMAL (Langley Memorial Aeronautical Laboratory) con un modernísimo túnel de viento en Virginia. A mediados de los años 20, túnel y laboratorio estaban ya plenamente operativos y la NACA empezó sus ensayos y pruebas con todos los perfiles aerodinámicos que encontró en el mundo.

Esto sirvió no solo para calibrar perfectamente el túnel, sino que también contribuyó al desarrollo de un catálogo de perfiles y el inicio de un programa de investigación tecnológicamente exitoso. Al principio solo se probaba los perfiles aerodinámicos de una forma totalmente aleatoria. En los años 30 se publicó un estudio titulado " Características de 78 perfiles relacionados en pruebas en el túnel de viento de densidad variable". Esto constituyó un hito histórico en el campo de la aerodinámica. Con el tiempo se fue desarrollando un sistema muy elaborado en el cual se iban variando ciertos parámetros con el fin de evaluar las características de los perfiles. El sistema dio lugar a los famosos códigos para perfiles de 4, 5 y 6 dígitos. Este arduo trabajo continuo durante la IIGM y la cantidad de datos que se generaron fue impresionante. Desafortunadamente los perfiles alares no fueron catalogados junto con su uso en un avión determinado, en su lugar se utilizaron los perfiles en diferentes aviones dando lugar a resultados muy diversos. Con el tiempo la NASA se hizo cargo de los estudios aerodinámicos de los nuevos perfiles, ejemplos de estos nuevos perfiles son: NASA GAW-1, GAW-2 -LS(1)-0417 y LS(1)-0413), los NLF(1)-0215F y el NLF(1)-0414F-

Perfiles con código NACA de 4 dígitos


La nomenclatura NACA define el concepto geométrico del perfil alar. El perfil alar en dos dimensiones se puede estudiar bajo la filosofía NACA para calcular cuales van a ser las características principales del ala y como se va a comportar esta una vez instalada en un avión. Las características y el rendimiento aerodinámico se obtienen en función del coeficiente de sustentación y el coeficiente de resistencia. En la ilustración que sigue se puede ver la terminología básica a la que dio lugar el concepto geométrico del ala.


La misma terminología en español:

La NACA empezó haciendo catálogos de perfiles alares y pronto se dio cuenta de que debía instaurar un método. Para ello empezó estableciendo un sistema que requería 4 parámetros. Estos cuatro parámetros eran los que definían la estructura del perfil:

NACA abcd

en donde:

  • a: ordenada máxima de la línea media en porcentaje de la cuerda.
  • b: Posición de la ordenada máxima en décimas de la cuerda.
  • cd: Espesor máximo en porcentaje de la cuerda.

Hay una serie de perfiles donde a=0, b=0. Estos son perfiles simétricos, ejemplo: NACA 0015, donde el primer dígito describe la curvatura máxima como porcentaje de la cuerda (% c). El segundo dígito describe la distancia de máxima curvatura desde el borde de ataque en 1/10 del porcentaje de la cuerda. Los dos últimos dígitos describen el máximo espesor como tanto por ciento de la cuerda.

Ejemplos

NACA 2412

El NACA 2412 es muy conocido por ser el perfil alar que llevan las famosas avionetas Cessna 152.

Máxima curvatura al 2%
Máxima curvatura localizada al 40% (0.4 cuerdas) del borde de ataque
Máximo espesor del 12% de la cuerda


En este tipo de ala la línea de curvatura media es la característica de diseño más importante del perfil. Se define por un grupo de puntos posicionados de manera equidistante entre el extradós y el intradós con cambio en la longitud de cuerda, medidos perpendicularmente desde la cuerda. El punto de inicio y el punto final de la línea de curvatura media vienen dados por el borde de ataque y el borde de salida. Los paquetes informáticos modernos ayudan a determinar estas características con gran rapidez.


En esta página existe un calculador de perfiles alares que se puede usar para experimentar:
http://airfoiltools.com/airfoil/naca4digit.

Normalmente los fabricantes de aviones no suelen dar el dato específico sobre que perfil alar tienen sus aviones. Las personas interesadas deben de hacer una búsqueda en Internet y no siempre se encuentra fácilmente esa información. Por ejemplo, aviones como el Fairchild A-10 Thunderbolt II llevan instaladas alas con código NACA 6716. Para saber un poco más sobre que códigos llevan instalados los aviones más conocidos se puede consultar: http://www.aerofiles.com/airfoils.html



La serie NACA de cinco dígitos


Esta familia describe perfiles algo más complejos. Este método se estableció a mediados de los años 30 y se denominó NACA de 5 dígitos. Este tipo de perfil alar surgió de experimentos y estudios empíricos con el objetivo de incrementar el coeficiente de sustentación. Los resultados demostraron que si se modificaba el perfil de forma que el punto de curvatura (camber) máximo estuviera más cercano al borde de ataque, se obtenía un incremento notable en el coeficiente de sustentación. El primer dígito cuando se multiplica por 3/2 otorga el coeficiente de sustentación de diseño en décimas. El coeficiente de sustentación de diseño es un índice del incremento de la línea de curvatura y por lo tanto, si la línea de curvatura del perfil se incrementa, el coeficiente de sustentación del diseño se incrementa.

  • El 1er dígito de la serie, cuando es multiplicado por 0.15, da el coeficiente desustentación por sección (section lift coefficient).
  • Los siguientes 2 dígitos, cuando son divididos por 2, da "p" o la distancia demáxima curvatura desde el borde de ataque expresada como % de la cuerda.
  • Los 2 últimos dígitos indican la máxima curvatura del perfil (% de la cuerda).

Ejemplo: Perfil NACA 12345
  • Coeficiente de sustentación Cl= 0.15,
  • Curvatura máxima 0.115 c desde el borde de ataque
  • Curvatura máxima 0.45 de la cuerda
Los perfiles de la serie "Five-digits" tienen por defecto un espesor máximo en el 30% de la cuerda.

En las páginas Web que se muestran más arriba se pueden ver otros ejemplos de aviones actuales que todavía llevan perfiles de cinco dígitos. Los perfiles NACA de 4 y 5 dígitos están hoy en día ampliamente superados, pero en en el momento de su estudio fue lo más puntero en aerodinámica. Las ventajas e inconvenientes de estos perfiles se muestran a continuación.


El concienzudo y laborioso estudio racional y analítico llevado a cabo por el National Advisory Committee for Aeronautics a principios del siglo XX dio lugar a grandes perfiles aerodinámicos que hoy en día siguen volando. La contribución del NACA ha sido fundamental para el progreso de la aviación civil y militar. Hoy en día no se entendería la posición de liderazgo tecnológico de los Estados unidos de Norteamérica en el campo de la aerodinámica sin esta agencia gubernamental. Invertir en investigación es una tarea fundamental que cualquier gobierno serio debe de plantearse si quiere liderar algún campo específico del saber, parece mentira que haya que recordar a nuestro gobierno algo tan obvio.

Para saber más:

'Theory of Wing Sections', I H Abbott y A E von Doenhoff, Ed Dover, 1959.
ISBN-13: 978-0486-60586-9

2 comentarios:

  1. Manolo:
    Una pregunta que me planta tu entrada: Una vez recopilada la información y sistematizada en los perfiles NACA, quien y como se podia hacer uso de ella? Si un fabricante quiere usar un perfil, pagaba royalties a la NACA/NASA y está se los facilita o son de dominio público? Esto último me extrañaría, pues no habría retorno tras la considerable inversión en medios y personal, y entiendo que no es investigación pura sino esencialmente práctica. Entiendo tambien que en la actualidad todas las invenciones técnicas estarán amparadas bajo sistema de patentes.
    Un saludo.
    Pablo.

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    1. Hola Pablo,
      Interesante pregunta, no conozco el tema con profundidad, pero sé que la NACA se formó también para poner un poco de orden en el caos formado por los hermanos Wright, cuando crearon la “Wright-Martin Company”. Ellos querían cobrar por el método de control de alabeo "wing warping" que habían desarrollado en 1903. En diciembre de 1916, la compañía notificó a todos los fabricantes de aeronaves del mundo que tendrían que pagar unos royalties del 5% por cada avión que vendieran, con un mínimo anual de 10.000 dólares/fabricante.

      Wright-Martin exigió estos derechos en todos los aviones que llevaran su diseño o algo parecido. Curtiss montó en cólera y demandó a los Wright. Las demandas/contrademandas y amenazas de demandas pusieron los pelos de punta a todos los demás fabricantes. Los fabricantes miraron a la NACA y esta tomo cartas en el asunto. Por ello en 1917 se llegó a un acuerdo de licencia establecido por la NACA. Con este acuerdo se estableció que la industria aeronáutica estadounidense operaría sin pagar patentes. Se pagarían pequeñas tasas por ciertas contribuciones, pero esto se haría dentro de la Manufacturers Aircraft Association (Asociación de Fabricantes de Aeronaves), pero la idea general es que los inventos, las técnicas y los descubrimientos de los fabricantes de aeronaves fueran compartidos abiertamente entre los miembros. La propia NACA tenía en su poder muchas patentes, pero la gran mayoría de ellas se extinguieron con los años.

      Hoy en día como te puedes imaginar todo se basa en patentes y las guerras comerciales BOEING/AIRBUS implican que seguimos liados igual que en 1916. Intentaré investigar un poco más sobre el asunto, porque seguro que da para un buen post :)

      Un cordial saludo
      Manolo

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