Efecto del Flap

El flap es un dispositivo móvil hipersustentador, ubicado en un sector del borde de fuga del ala, que puede modificar la forma del perfil de esta. Con ello, otorga una versatilidad considerable, en su posibilidad de producir coeficientes de sustentación.  Al variar la velocidad,  tiene que hacerlo también el CL, para que la sustentación L mantenga su valor.

Cualquier  aeronave equipada con flap, tiene posiciones  con valores positivos, que aumentan la curvatura del perfil del ala, y así su coeficiente de sustentación CL, respecto a mismos valores de ángulos de ataques con flap en posición cero (diapositivas # 7 y 8 ).

Simplificando podríamos decir que, al aumentar la curvatura del perfil, el ala acelera más el aire que pasa por el extradós.

Es apropiado usarlo para volar a velocidades  del 2° régimen, debajo de la correspondiente a la mínima resistencia total D, ó de L/D máxima. Permite  reducir la velocidad, disminuyendo a su vez el valor correspondiente a la de pérdida (diapositiva #  14).

Pero al aumentar  su ¨capacidad sustentadora ¨, modificando su curvatura, el perfil se hace más resistente. Con el aumento del coeficiente de sustentación, crece la resistencia inducida, y al modificar su forma el perfil, también lo hace la resistencia parásita.
En el primer punto, generalmente, el flap es más sustentador que resistente. Pero en la posición de ¨landing¨, cuando está más extendido, es muy resistente. Cosa que nos conviene, porque mejora la pendiente de aproximación, con una actitud adecuada para el caso.

Algunos planeadores  disponen de posiciones de flap con valores negativos.  Efectivo en performances  de velocidades superiores al L/D máxima, correspondientes al 1er régimen. La velocidad es el factor que más injerencia tiene en la sustentación , en esta zona  de actuación.

Al selectar flap  en negativo, además de disminuir su CL, disminuimos la curvatura del ala modificando su forma, y de esa manera la resistencia parásita (de forma o de presión, diapositiva # 12).

El flap es de gran utilidad, pero debe ser operado a las velocidades adecuadas, de lo contrario puede aumentar indebidamente la resistencia.

El manual de cada planeador, instruye sobre que velocidad usar para cada posición de flap.

Mi amigo SIR Martín Hidalgo, en su Pik 20, flapeado

Sustentación- Leyes de Newton

                                                                                                         Foto tomada el 14-7-2012 del LL (Lito Fentanes)

      

Hay otro enfoque (físico) que explica cómo el ala genera sustentación, que intentaré 
resumirlo para que lo conozcan y analicen.

Si uno ve una deformación en la masa de aire, significa que hay una fuerza actuando sobre ella.

A toda acción existe una reacción igual y opuesta. El ala mueve la masa 
de aire, generando una fuerza, que es la acción, y la reacción a esa fuerza es la sustentación.

El flujo de aire que pasa por el extradós es desviado hacia abajo ( downwash).
Ese desvío es la acción. La reacción es la sustentación producida en el ala. 

Para conseguir más sustentación, el ala debe desviar una mayor cantidad de aire o aumentar la velocidad de este hacia abajo.

Las alas ¨empujan¨mucho aire hacia abajo, detrás del borde de fuga. Este efecto es generado por la aceleración que se produce en el aire, al pasar por el extradós.
Esta consecuencia del ala desplazándose en el aire, la vemos al tratar el ángulo de ataque inducido, diapositiva # 10.
Quienes sostienen esta teoría, dicen que con la depresión que se produce en el extradós, no sería fuerza suficiente para soportar el peso de la aeronave.  

Diapositiva 1: Flujo en el perfil

El planeador cuando vuela, genera una corriente de aire que pasa a través de las alas.

Tomando una sección del ala, que llamamos perfil, observamos como lo indica la figura, que se produce un estrangulamiento de la corriente de aire que pasa en la cara superior (extradós). Ese estrangulamiento hace que el flujo de aire se acelere y produzca una depresión en esa cara. Mientras que en la parte inferior (intradós) se produce una presión hacia arriba, porque la corriente de aire se desacelera. 

Diapositiva 2: El principio de Bernoulli

¿Cómo se explica el hecho de que  el aire se acelera en la cara superior del perfil y genera una depresión?

Lo explica el principio de Bernoulli (1700). Según muestra la figura, en un tubo por donde circula corriente de aire; en la parte donde se encuentra el estrangulamiento, éste se acelera y eso genera una depresión. Cuando se ensancha, se desacelera y aumenta su presión nuevamente.  

Diapositiva 3 y 4: Fuerzas en el perfil

Los vectores representan la dirección e intensidad de las fuerzas en el perfil.  

Las fuerzas distribuidas en todo el perfil, dan como resultado una fuerza F aplicada en el centro de presión. De la descomposición de esta fuerza, hay una vertical que nos interesa, es la sustentación L. 

También vemos que hay un ángulo formado entre la cuerda del perfil y el aire relativo, llamado ángulo de ataque α (alfa)

La fuerza D es la resistencia, que veremos más adelante.  

Diapositiva 5: Fuerzas en vuelo equilibrado

Para poder estudiar la actuación del planeador, debemos considerarlo en vuelo equilibrado. Esto quiere decir manteniendo una velocidad sin acelerarse ni desacelerarse. 
Las fuerzas que actúan sobre este son: 
Sustentación L, igual y opuesta al peso W.
Tracción o Empuje T, igual y opuesta a la Resistencia D. 
EL empuje se obtiene, en un planeador, de transformar la energía potencial lograda en una térmica al ganar altura, en energía cinética, expresada en velocidad. La energía potencial también aumenta con el peso. 

Diapositiva 6: Sustentación

De esas fuerzas, una de las más  buscadas es la sustentación. 
En la generación de la fuerza sustentadora L intervienen:

1. El coeficiente de sustentación CL, es una variable que representa la capacidad sustentadora del perfil, que cambia con la forma de este y con el ángulo de ataque α.
2. La presión dinámica q, que es la mitad de la densidad del aire ρ, por el cuadrado de la velocidad V
3. La superficie del ala. 

Diapositiva 7: CL en función de α

Dijimos que en vuelo equilibrado, consideramos la sustentación L siempre igual al peso W.

Si queremos modificar la velocidad, por ejemplo reducirla, debemos aumentar el CL. 

Al tirar palanca atrás para lograrlo, lo que hacemos es aumentar el ángulo de ataque  α, con lo que aumentamos el coeficiente de sustentación según muestra esta figura.

¿Cómo leemos esta curva?

Por ejemplo: para un valor de α 10 trazamos una línea vertical desde esa medida, paralela al eje  CL   hasta tocar la curva. Desde allí trazamos una línea horizontal hasta tocar el eje de CL, y leemos el valor generado por 10 de  α, que es aproximadamente 1,1.

Si seguimos aumentando el ángulo de ataque llegamos al valor de  CL máximo. Más allá de ese valor la aeronave entra en pérdida de sustentación. 

Cada perfil tiene una curva diferente de valores de CL en relación al ángulo de ataque α. 

Diapositiva 8: Cl de diferentes perfiles

CL de diferentes perfiles

Como mencioné en la figura anterior, observamos curvas de diferentes perfiles. Vemos que de acuerdo a sus formas, los perfiles tienen diferentes capacidades para acelerar el flujo de aire que pasa por ellos, logrando distintos valores de CL para un mismo valor de α. O también, un mismo valor de CL con distintos valores de ángulo de ataque. Esta capacidad de cambiar las forma de los perfiles, las tienen las alas con flaps.

Diapositiva 9: CD en función de α

El perfil modifica su coeficiente de sustentación al variar α, cuando interviene como factor para producir la sustentación. Pero también genera un coeficiente de resistencia CD  que del mismo modo se modifica en relación a la variación de α. 

Según vemos en la figura incrementa mucho su valor al aumentar el ángulo de ataque α.

En general podríamos decir que los perfiles muy sustentadores, también generan más resistencia al avance.

Diapositiva 10: Ángulo de ataque inducido

El ala que está sustentando, desplaza hacia abajo el aire que pasa a través de ella. Suman este efecto los torbellinos de puntas de alas.

Este desplazamiento, provoca un cambio de dirección del aire relativo, delante del ala. Reduce el ángulo de ataque α, en un valor llamado ángulo de ataque inducido αi. 

La fuerza generada por el perfil es F, de la que obtenemos la codiciada sustentación L. También produce otra fuerza contraria al avance, inevitable, llamada resistencia inducida Di

Diapositiva 11: Resistencia inducida

Este tipo de resistencia prevalece cuando volamos a bajas velocidades. Por ejemplo volando en circuito de tránsito, en virajes, en térmicas, o próximos al aterrizaje. 
A tener en cuenta, su valor es máximo, al llegar a la pérdida.
Los winglets la reducen, y en aeronaves de gran porte producen un ahorro de combustible de alrededor del 3%. Porque si bien, al aumentar la velocidad disminuye,  no desaparece totalmente.

Diapositiva 12: Resistencia Parásita

Cuanto mayor sea la superficie frontal del planeador, mayor será la resistencia parásita que produce. Esta es llamada de forma o de presión.  

La resistencia por fricción, tiene que ver con el rozamiento del flujo de aire en las rugosidades o imperfecciones de las superficies del ala y el planeador en general.

Las interferencias entre flujos de aire, con distinta dirección provocan resistencia. En la unión de ala y fuselaje, o la del estabilizador horizontal con el vertical. El flujo de aire que circula por el fuselaje (capa límite), produce perturbaciones en la circulación de la capa límite, cerca del borde de fuga de la raiz de ala. Le quita energía y por eso propende a desprendimientos, que reducen su rendimiento. Es mayor el efecto negativo en un ala baja. Por eso existen los carenados para disminuirla.

También provoca resistencia (adicional) el ingreso de aire a tomas, orificios, bahía del tren de aterrizaje, caja del gancho de remolque, etc.    

Diapositiva 13: Di + Dp = D TOTAL

La suma de la resistencia inducida Di mas la resistencia parásita Dp, dan como resultado la RESISTENCIA TOTAL D.

Se ve en la curva, las velocidades donde predomina cada tipo de resistencia. El comienzo de la curva de D, lado izquierdo, representa la velocidad mínima volable, debajo de esa el planeador entra en pérdida. Desde esa velocidad hasta la de mínima resistencia total D, es considerable la resistencia inducida Di  (decreciendo).

A partir de la velocidad de mínima resistencia ó L/D máxima, al aumentar la velocidad aumenta mucho la resistencia parásita Dp (1er régimen).

Recordar esta curva es importante porque nos ayuda a analizar distintas fases del vuelo.

Observamos que si volamos a bajas velocidades  ( debajo de D mínima), al reducir la velocidad, aumenta la resistencia     ( 2do régimen) . Es un error pretender reducir la relación de descenso, tirando mucho palanca atrás, con baja velocidad y poca energía.  Lo que logramos es aumentar el descenso porque aumentamos la resistencia.

La velocidad correspondiente a L/D máxima, que coincide con la  de mínima resistencia total D, es la que, en un planeador, nos permite el mayor alcance (distancia en relación a la altura perdida).     

Diapositiva 14: Velocidad de Pérdida Vp

Al reducir la velocidad, aumentamos el ángulo de ataque, y con ello el CL.

Como vimos en la curva de CL en función del ángulo de ataque  , hay un CL máximo a partir del cual el planeador entra en pérdida de sustentación, por desprendimiento del flujo de aire que circula por el extradós. Conocemos ese valor expresado como VELOCIDAD DE PÉRDIDA Vp.

Es necesario saber que factores afectan esta velocidad. Para ello partimos de la fórmula de la sustentación L.

Reemplazamos L por W que tienen el mismo valor

CL será el máximo CL máx, para simplificar el cálculo.

La velocidad será la de pérdida Vp

Transponiendo términos nos queda que:

                           

Es importante tener en cuenta que, la velocidad de pérdida aumenta si se incrementa el peso (directamente proporcional al peso)

Diapositiva 15: Viraje

La figura representa al planeador virando y las fuerzas aplicadas sobre él.

Vemos el peso W , la fuerza centrífuga opuesta a la dirección hacia donde viramos, que sumadas ambas dan como resultado una superior.

Para contrarrestar esa fuerza, y  mantener el vuelo equilibrado, la sustentación debe ser igual y contraria, es decir que debe aumentar.

El planeador sufre el mismo efecto que si le aumentaran el peso, por lo que aumenta la velocidad de pérdida Vp.

A su vez, si debemos aumentar la sustentación L, manteniendo la velocidad, tendremos que aumentar el CL, por lo cual aumentará la resistencia inducida.

Diapositiva 16: Ángulo de planeo

En la figura vemos un planeador en descenso, manteniendo velocidad , con las fuerzas que actúan sobre él, equilibradas.

Al peso se opone una fuerza ( igual y contraria), llamada aquí, reacción total, que es la suma (vectorial) de la sustentación L y la resistencia D.

El ángulo formado por la reacción total y la sustentación L, es igual al ángulo de planeo formado por la trayectoria del planeador y el plano horizontal. También llamado ángulo de descenso.

Cuanto menor sea ese ángulo, mayor será la relación L/D, porque implica una disminución del valor de la resistencia D.

Con la velocidad en la que obtenemos el valor de L/D máxima, el ala brinda su mayor rendimiento en planeo, que es el máximo alcance.

Este concepto ya lo vimos en la curva de resistencia total, y a su vez que, la velocidad de L/D máxima coincide con la de mínima resistencia total.

Existe otra velocidad menor, que nos brinda la menor razón de descenso. Con ella descendemos menos en relación al tiempo (autonomía), pero no en relación a la distancia recorrida (alcance).  

Diapositiva 17: Alabeo

Un ala debe tener buen comportamiento, próxima a la velocidad de pérdida, cuando volamos en térmicas y cuando aumentamos la velocidad, entre térmicas o en PLANEO FINAL al club.

Cuando un ala entra en pérdida, debe hacerlo primero en la raíz (unión ala y fuselaje), para tener un anuncio previo, antes de que los alerones dejen de ser  efectivos.

Para lograr mayor eficiencia, los diseñadores utilizan (entre otras cosas) el alabeo, o torsión.

Hay dos tipos de alabeos, uno llamado geométrico y el otro aerodinámico.

En el geométrico, los perfiles tienen distintos ángulos de incidencia, a lo largo del ala.

En el aerodinámico los perfiles cambian su forma.

Es probable que en la raiz del ala tengamos un perfil simétrico (o casi), con mayor ángulo de incidencia que en las puntas. En las puntas habría menos incidencia y los perfiles serían asimétricos.

Seguramente podrán observarlo mejor, en una ¨madera¨, o en el remolcador, que en un planeador de diseño moderno.

Diapositiva 18: Actuación en pista

Supongamos que en el avión remolcador dispusiéramos de dos posiciones de flaps para despegar.

Hagamos un ejercicio con los conceptos conocidos hasta ahora.

1°) Contamos con una pista corta para despegar, remolcando el planeador de instrucción, sin obstáculos detrás de la cabecera opuesta.

2°) Tenemos una pista bien larga pero con obstáculos al final de la misma.

¿Que posición de flaps usaríamos en cada caso?

Para poder despegar, la sustentación deberá ser igual al peso.

La fórmula de la sustentación L nos da la solución. En esta hay dos factores que se compensan, cuando uno baja el otro debe subir y viceversa, y son el Cl y la velocidad.
Recordemos también la curva de D resistencia total. En estos dos ejemplos, estaremos volando debajo de la velocidad de mínima resistencia. Quiere decir, a menor velocidad mayor resistencia, y viceversa (segundo régimen).

En el primer caso usamos la posición 2, que nos da mayor Cl y permite mayor reducción de velocidad. Con eso logramos la menor distancia de despegue.

Pero el ascenso será mas chato, porque en ese rango de velocidades (debajo de la de mínima resistencia total), cuanto más lento volemos, mayor será la resistencia. Además a mayor deflexión de flaps, lo hace al perfil más sustentador, pero más resistente.

En el segundo caso nos convendría usar la posición 1 , porque al no tener limitación de largo de pista, nos permite un ascenso más pronunciado luego del despegue. Esa posición de flaps modifica el perfil y lo hace menos sustentador y  menos resistente y al ser la velocidad más alta, también hay menos resistencia.

Siempre se deben leer las indicaciones del manual de cada aeronave.

En pistas de elevación considerables y/o en casos de temperaturas altas, la disminución de la densidad del aire, afecta mucho las performances del avión.

Diapositiva 19: Estabilidad - Resistencia

El planeador, ante una perturbación, debe tener una tendencia a bajar la nariz. Para eso el centro de gravedad CG, donde está aplicado el peso W, estará ubicado delante del centro de presión (donde es aplicada la resultante de todas las fuerzas de sustentaciòn)  CP.

La cola, logra la estabilidad y equilibrio longitudinal, aplicando una fuerza hacia abajo Lt, que se suma al peso y por eso la sustentación L tendrá que ser mayor que el peso W.

Si corremos el CG hacia atrás, acercándolo al CP, la cola hace menos fuerza, y se logra el mismo efecto que disminuir el peso. Con eso también baja el valor de la resistencia D.

El CP se corre hacia atrás al aumentar la velocidad y hacia adelante al reducirla. 

Diapositiva 20 : Efecto del Peso en la Resistencia

                         

 El efecto primario del cambio de peso en la resistencia total D, es una modificación fundamentalmente de la resistencia inducida. Por eso los mayores cambios en la curva de resistencia total D tendrán lugar en el rango de bajas velocidades de vuelo, donde predominan los efectos inducidos ( Di ). Los cambios de resistencia en el rango de altas velocidades de vuelo , son relativamente bajos porque, en esta zona de la curva, predominan los efectos parásitos ( Dp ). A velocidades de vuelo altas los efectos inducidos son relativamente pequeños y producen un efecto también menor en la resistencia total.
Además del efecto general en la resistencia inducida, a una velocidad determinada, un cambio en el peso requerirá que el planeador opere a velocidades diferentes, para mantener las condiciones de un CL y ángulo de ataque específicos. Recordemos que la sustentación debe ser igual al peso, entonces también cambiará su valor.
Si el planeador está en vuelo equilibrado, con un CL particular, la velocidad cambia al modificarse el peso. Como ejemplo, si aumentamos el peso en un 50%, el planeador deberá operar a velocidades un 22 % superiores. Si su L/D máxima con 300 kg es a 100 km/h, con 450 kg será a 122 km/h. El empuje requerido , obtenido de la energía potencial, se modificará también, en el mismo porcentaje que varíe el peso. El empuje requerido, es la fuerza necesaria igual y opuesta a la resistencia, para mantener el vuelo con las fuerzas equilibradas (diapositiva 5).

Taller de Instructores de Planeador

Presentación: Aerodinámica de bolsillo
Trenque Lauquen
16 y 17 de junio de 2012


TIP Trenque Lauquen

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Aerodinámica de bolsillo

Presentación realizada en el Taller de Instructores de Planeador (TIP) en Trenque Lauquen el 16 y 17 de junio.