Sueño 2700 | Un cuento sin cola

Aquellos que aún no lo hayan hecho pueden querer leer la primera parte de esta serie , luego continuar con este artículo — Ed.

En esta segunda parte del viaje, lo guiaré a través de los principales desafíos de diseño aerodinámico de un planeador sin cola. Hoy en día, hay varias herramientas de cálculo disponibles para el aficionado y, con un poco de esfuerzo, es posible ejecutar una validación preliminar de un concepto, minimizando el riesgo de un accidente de vuelo inaugural. Las herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD) son hoy en día mucho más fáciles de usar, y una estación de trabajo doméstica puede ofrecer resultados cualitativos utilizables. Sin embargo, esto requiere mucho tiempo y dedicación. Pasé noches interminables refrescando mis conocimientos sobre CFD y ajustando los modelos de cálculo, pero esto ha valido la pena cuando puedes ver tu diseño 'volando' en un entorno virtual.

Optimización del diseño del ala en XFLR5

La mayor parte del diseño aerodinámico del ala se ha realizado utilizando XFLR5 (ver Recursos a continuación). Esta es una herramienta maravillosa para probar diferentes configuraciones y realizar comparaciones. Mi primer intento de diseño se centró en acercarse lo más posible a una distribución de elevación elíptica, ya que quería optimizar la eficiencia. En esa configuración, se colocaron winglets en las puntas de las alas, para optimizar aún más el ala y dar estabilidad lateral.

La elección del perfil de la sección del ala requirió muchas iteraciones. La decisión debe basarse en varios factores: debe ser una buena sección para un número de Reynolds bajo (que para este diseño varía de 50 000 a 400 000), debe tener un máximo C l decente y un coeficiente de momento bajo ( C m ) . Un C m más alto requerirá un mayor giro del ala para alcanzar la estabilidad deseada. El número de Reynolds (Re) no es dimensional y puede describirse como la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas. Cuanto menor sea la Re, mayor será el efecto viscoso del aire. Low Re generalmente conduce a un mayor riesgo de flujos separados y burbujas laminares. Esto puede producir malas características aerodinámicas.

La elección final fue por una sección desarrollada por Thorsten Lutz, el TL-54 . Esta sección del ala ofrece un buen C l máximo , un C d bastante bajo y un coeficiente de momento de sustentación cero ( C m0 ) bajo.

XFLR5 se usó ampliamente en esta etapa para optimizar el giro del ala y la forma en planta. Esta herramienta le permite probar varias configuraciones y hacer comparaciones, cambiando varios parámetros. No entraré en todos los detalles de los cálculos de XFLR5 , ya que esto ya se ha publicado en RCSD heredado en varios artículos excelentes. Se optimizaron todos los parámetros aerodinámicos, incluido un cálculo aproximado de estabilidad.

En esta etapa, estaba muy contento con el diseño del ala y estaba listo para comenzar con los dibujos de construcción.

La distribución de ascensores en forma de campana

Cuando estaba a punto de congelar el diseño, conocí a Albion Bowers y sus experimentos con el Prandtl-D.diseño. En pocas palabras, los estudios de Albion están demostrando que, para una carga útil dada, la distribución de sustentación que proporciona la menor resistencia inducida y el menor peso estructural es la que tiene forma de campana. Y, no se debe descuidar, esta distribución de sustentación brinda la ventaja de un movimiento coordinado de balanceo y guiñada, resolviendo uno de los mayores problemas que siempre hemos tenido en las alas voladoras, el acoplamiento adverso de balanceo/guiñada. Para explicarlo mejor, una entrada de balanceo del alerón hacia la izquierda, al principio producirá un momento de guiñada hacia la derecha, haciendo que la maniobra de giro sea algo descoordinada. Estaba tan entusiasmado con este estudio que decidí modificar mi ala en consecuencia y probarlo. Con algunas sugerencias de Albion Bowers, algo de apoyo de Marko Stamenovic, el grupo de Facebook Horten Flying Wing Believers (ver Recursospara enlaces a todos estos) y nuevamente una larga serie de simulaciones XFLR5 , ¡llegué con mi diseño de ala final!

En la imagen de abajo, puedes ver la evolución del diseño.

Y esta es la distribución de elevación local que obtuve en condiciones recortadas:

Me enamoré de ese diseño, por varias razones:

• Ya no hay razón para implementar winglets. Son muy agradables, pero su ubicación en las puntas de las alas genera cargas pesadas en el ala y aumenta el riesgo de aleteo.
• Aletas verticales ubicadas donde se encuentra el núcleo enrollable de vórtice descendente. En teoría, un ala voladora con BSLD no necesita aletas para la estabilidad. Sin embargo, si desea una buena cantidad de control lateral, necesita algún tipo de timón en alguna parte. No es realmente imprescindible para un modelo RC a escala, pero si su objetivo es construir uno a escala real, piense en la autoridad de control de guiñada durante los despegues y aterrizajes.
• Las puntas de las alas están descargadas y esto permite una estructura de ala más ligera.

Otra característica especial que quería probar son los flaps de cabeceo neutral: si la extensión de los flaps se coloca correctamente contra el punto neutral (NP) del ala, deberíamos poder obtener un momento sin cabeceo cuando los flaps están extendidos.

Optimización del diseño de la vaina del fuselaje

Como puede reconocer en el primer artículo, la sección transversal del fuselaje es bastante grande, si se compara con lo que realmente se necesitaría para un modelo controlado por radio. Esto se debe al hecho de que quería acomodar a un piloto real en el avión a gran escala, manteniendo también suficiente espacio para el motor eléctrico y las baterías, el equipo retráctil y varios accesorios. Por lo tanto, decidí dibujar el fusible a escala completa y luego reducirlo al modelo a escala 1:5.

Con la perspectiva de un planeador a gran escala, se deben tener en cuenta más requisitos:

• Intersección del larguero del ala con el fuselaje: necesita suficiente espacio para acomodar las piernas del piloto, el larguero del ala y los sistemas de control
• Las puntas de las alas deben estar lo suficientemente altas en el suelo, para no tocar el suelo durante los despegues y aterrizajes (recuerde que tenemos un ala en flecha)
• El fuselaje se simplificará teniendo en cuenta el ángulo de corte del ala, para minimizar las separaciones de flujo
• La unión entre el fuselaje y el ala se optimizará para reducir la fricción de interferencia y nuevamente la posible separación.
• La visibilidad del piloto no debe estar muy limitada por el ala.
• Suficiente espacio para los engranajes retráctiles.
• Al ser un planeador de motor eléctrico, necesitamos espacio para el compartimiento de la batería

Durante el desarrollo, pude ejecutar una simulación CFD que me permitió optimizar la fusión del ala con el fuselaje. Al ejecutarlo en una estación de trabajo doméstica, no puede esperar milagros, pero, sin embargo, fue muy interesante resaltar algunos posibles defectos de diseño.

Cuando se trata de resistencia aerodinámica, uno de los peores enemigos proviene de los gradientes de presión adversos. Por lo general, no tiene problemas hasta que el flujo de aire en una superficie se acelera: esto produce un flujo estable y potencialmente laminar. En este modelo a escala, considerando una velocidad de corte de alrededor de 10 m/s, obtenemos Re = 300.000 en el fuselaje. Para un Re tan bajo y si el acabado de la superficie es lo suficientemente suave, es probable que ocurra un flujo laminar, lo cual es bueno, pero al mismo tiempo existe un mayor riesgo de que se forme una burbuja de separación laminar, lo cual es malo. Por el contrario, un número Re más alto producirá menos problemas de separación, pero probablemente un flujo turbulento.

En el Dream 2700 , parece que tenemos un posible problema de separación en la parte trasera del fuselaje. Permítanme explicar la física con la ayuda de algunas imágenes:

En el área resaltada en azul, la velocidad del flujo es cercana a cero, y esto es una clara señal de separación del flujo, resaltada también por el flujo caótico en esa región. Esto se debe a la mala recuperación de la presión, provocada por el cambio abrupto de la sección transversal en esa zona. Además, como se puede ver en la siguiente imagen, el ala está produciendo un fuerte flujo energético, de arriba hacia abajo y de afuera hacia adentro. La fuerte curvatura en la parte inferior del fuselaje crea un flujo de baja energía con pocas posibilidades de mantenerlo adherido a la superficie. Prácticamente diseñé un 'generador de vórtice difusor' perfecto. Una de las razones está relacionada con la necesidad de colocar la hélice lejos del suelo durante el despegue y el aterrizaje: esta es la razón principal por la que la curvatura de la mecha es muy suave en la parte superior y muy pronunciada en la parte inferior.

Desafortunadamente, esos resultados estuvieron disponibles solo después de que el fuselaje ya se había fabricado, así que tendré que quedarme con eso. Durante las pruebas de vuelo, intentaré ejecutar algunas visualizaciones de flujo experimentales para confirmar este fenómeno.

En cualquier caso, estoy bastante contento con la combinación de ala y fuselaje, donde el análisis CFD no mostró ningún problema especial.

Un fenómeno muy interesante se destaca en las siguientes imágenes. Las alas en flecha se caracterizan por un flujo cruzado, un componente del flujo de aire que va desde la raíz hasta la punta. Esto sucede en la superficie superior del ala, generando un deterioro de la capa límite hacia las puntas del ala. En ese diseño específico, el flujo cruzado es más evidente antes de llegar a las aletas verticales y menos evidente desde las aletas hasta las puntas: las aletas verticales actúan como vallas laterales, lo que reduce el flujo cruzado en las puntas. La torsión negativa en las puntas contrarresta el flujo cruzado, al igual que las aletas.

En una última imagen, hay algo un tanto divertido. ¿Alguna vez te has preguntado de dónde viene la sustentación y la resistencia? Bueno, el análisis CFD ayuda a visualizar la elevación y el arrastre de una manera muy intuitiva. En las siguientes imágenes, las áreas rojas representan volúmenes de alta presión, mientras que las áreas azules representan volúmenes de baja presión.

Y esto me lleva al final de la Parte II de Tailless Tale. La próxima parte que se publicará el próximo mes en el Nuevo RCSD estará dedicada a la construcción, donde compartiré todos los pasos del proceso, con fotos y videos.

Permítanme cerrar con la representación del Dream 2700 completo , con el esquema de color final que usaré.

©2022 Domingo Bosco

Recursos

• XFLR5: una poderosa herramienta para el diseño preliminar por Francesco Meschia. — “XFLR5 es una herramienta de análisis para superficies aerodinámicas, alas y aviones que operan con números de Reynolds bajos…”
• Sobre las alas de la resistencia mínima inducida: Implicaciones de carga útil para aeronaves y aves por Albion Bowers et al — “Durante casi un siglo, la teoría de la línea de sustentación de Ludwig Prandtl sigue siendo una herramienta estándar para comprender y analizar las alas de las aeronaves. La herramienta, dijo Prandtl, inicialmente apunta a la carga ensanchada elíptica como la elección de ala más eficiente…”
• Flying Wing Designer: una herramienta para crear su propio modelo de ala voladora por Marko Stamenovic. — “Esto es para personas que quieren hacer un modelo RC volador y ya están un poco más profundos en el conocimiento de las alas voladoras…”
• Creyentes de Horten Flying Wings en Facebook. — Este grupo es una buena fuente de inspiración: “Coloque su trabajo de Horten aquí y hable sobre la guiñada positiva en lugar de la guiñada adversa. Habla sobre la ligereza del mástil, habla sobre el gran aspecto, habla sobre las pruebas que has hecho…”
• AeroDesign.de por Hartmut Siegmann. — “La aerodinámica, el diseño, el diseño, la construcción, la construcción, el desarrollo posterior y la optimización de los modelos de vuelo convencionales y las alas voladoras es algo realmente interesante…”