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8/17/2019 Diseño uav
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Cálculo de avionesIndianaTeam
INDY AV
_
8/17/2019 Diseño uav
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Diseño
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Diseño Evolución del diseño
Día 0
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Diseño Evolución del diseño
Día 42
8/17/2019 Diseño uav
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Diseño Evolución del diseño
Día 71
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Diseño Evolución del diseño
Día 0
Día 42
Día 71
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Diseño Día 99
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Diseño
Longitud total: 2,65m me ros zona carga e pago: , m
Envergadura: 3,20m
Dimensiones Cola en V Longitud: 0,88m
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Estructuras
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Evolución de pesos
. g. p. es a s co
23.5kg. (Revisión 2)
. .
16.48kg.(Definitivo)
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Estimación de pesos. Ala Estructura interna
Refuerzo largueros
on rac apa o en a zona cen ra para res s r emomento flector.
A igeramiento e peso
En los extremos eliminamos los largueros
AR: 9 NACA 4415 Peso 3.486Kga saon rac apa o
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Estimación de pesos. Fuselaje Ventajas
. Posible aumento del tanque de combustible.
Cuadernas en la zona de encastre de contrachapado.
Dividido en 3 zonas Morro 0.4m. Zona cilíndrica 1.4m (carga de pago) Zona cónica 0.85m (sujeta el tubo de f.c.)
Peso 7.747KgContrachapado 3/8’’Contrachapado 1/8’’
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Estimación de pesos. Cola en V Características Diseño simple
2 .
. NACA 0012
AR: 3Peso 0.77Kg
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Estimación de pesos. Tren aterrizaje Triciclo
Materiales:
carbono.
Dimensiones: Altura: 0.35m. Ancho: 0.5m.
Diámetro neumático: 5’’.
Peso 1.574Kg
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Estimación de pesos. Motor Ducted fan
Peso elementos: .
Motor:0.900kg
. . Diámetro hélice: 16cm.
. .
Peso 1.30Kg
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.
elementos
. . Tan ue de combustible 0.5K Pegamento + pintura: 1.2Kg.
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Estimación c.d.g. En vacío:
Centro de gravedad 0.96m.
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Estimación c.d.g. Criterio estabilidad:
Centro de gravedad 1.26m.
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Comparativa Céfiro vs UAV
Elemento UAV Céfiro Céfiro/UAVP. Motor 1,574 1,8 1,16
P. Ala 4.274 4,4 1.02935
P. Fuselaje 7,747 3,15 0.4066P. Tren aterrizaje 1,574 1,212 0.77
P. Cola 0 77 0 709 0 9207•Ducted fan
Superficie alar 1,15 1,088 0,946 •Exigencias carga de pago
. , , ,
Envergadura 3.274 2,81 0.873
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Cargas Ala:
Sustentación: fuerza de sustentación producida por el ala.
Fuselaje:
Resistencia.
ero n m cas: esprec a es ren e a as pro uc as en e a a. Concentradas: encastre de la cola y del ala, tren de aterrizaje,
carga de pago… .
Presurización: al estar hablando de alturas bajas estas cargasvan a ser despreciables.
Sustentación. Resistencia.
Tren de aterrizaje: Concentradas: peso del UAV, impacto en el aterrizaje.
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Cargas Encastre ala-fuselaje:
Momento debido a la sustentaci n: 449.28 Nm. Momento debido al peso de ala: 1.42 Nm.
Tren de aterrizaje Esfuerzos en ista antes del des e ue:
Tren principal: 33.21kg. Tren de morro: 1.65kg.
Fuselaje: Cargas concentradas Cargas de pago: 2x5kg.+2x2.5kg. Carga combustible: 3.38kg.
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Aerodinámica
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Aerodinámica-datos
Carga alar: 285 N/m^2 uper c e a ar : , m
Longitud del fuselaje: 2,6 m
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Aerodinámica-1ª estimaciónPolar parabólica simple - Crucero
Cdo Clópt EmáxDespeque 0,027844291 0,785187011 14,09960572
Subida 0,027371941 0,778498593 14,22074154rucero 0,0265236 0,766339906 14,446366
Espera 0,027032299 0,773653551 14,30979961
escenso 0,027043588 0,773815081 14,3068125
Crucero 0,027564942 0,781238389 14,17086953
, , ,
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Polar del avión1
0,8
20452.00265.0 L D C C +=
0,6
L
despegue
0,4
C su a
Crucero
Espera
Aterriza e
0,2
crucero2
0
0,01 0,025 0,04 0,055 0,07
CD
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Polar del avión-Eficiencia16
Emáxcrucero=14 45
12
14
10
c i a
despegue
crucero
6
8
e f i c i e espera
descenso
crucero2
4
aterrizaje
subida
0
0 0 5 1 1 5 2 2 5 3
CL
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Perfil Ala 4415Designfoil
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Perfil Cola-0012Designfoil
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Aerodinámica-CL
*,, L
1 4
0,8
1
1,2
l
0,20,4
0,6 CL
0
-5 0 5 10 15
Al ha
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Aerodinámica-CLmáx
DESPEGUE SUBIDA CRUCERO ESPERA CRUCERO2 DESCENSO ATERRIZAJE=C max CLMAX C max -ACL = ,
Clmax 1,435 1,445 1,458 1,448 1,435 1,446 1,435
0.9*clmax 1,2915 1,3005 1,3122 1,3032 1,2915 1,3014 1,2915
Cmo ‐0,102 ‐0,103 ‐0,104 ‐0,103 ‐0,103 ‐0,102 ‐0,102
correciónClmáx 1,0622
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Aerodinámica- Emáx y CLopt
Desp Sub Crucero Esp Cruc Desc ater
Clopt 0,7999 0,7933 0,7815 0,7886 0,7888 0,7960 0,8001
Emáx 17 112 17 287 17 417 17 412 17 215 17 107,
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Aerodinámica-2ª Estimación2,5
L L D C C C 0138,00451,002758,02−+=
2
1
,
crucero
despegue
0,5
C L subida
espera
crucero2
0
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16
-1
-0,5
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Aerodinámica-EficienciaEmáx=17,615
20 Alpha=4,8º
15
n
c i a
5 E f i c i
0
-5 0 5 10 15
Alpha
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Comparación ambos modelos
,
,
, crucero
crucero2
- ,
0 0,05 0,1- ,
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Conclusiones Aerodinámica• Naca 4415 ala:
•Poca curvatura•Poco momento• -•Fácil Construcción•Entrada en pérdida localizada:alphamáx-14º
Naca 0012 cola:•Perfil simétrico clásico de superficies de control.• c cons rucc n
•Información•Pérdida controlada:alphamáx-14º
Diseño simple y económico
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Indy: compromisos estables Nuestro diseño arantiza
pequeños ángulos de ataque y deriva
Ausencia de pesos adicionales para
Posibilidad de sustituir la car a de a o
por combustible: misión de autonomía
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Indy: todav a m s
maniobrabilidad
Estabilidad longitudinal garantizada para
pequeñas perturbaciones
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representativas (I)PARÁMETRO VALOR
Distancia horizontal morro‐cdg 1.26
s anc a or zon a morro‐ca a a .
Distancia
horizontal
morro‐
ca
cola 2.45
Ángulo de incidencia del ala 0
Superficie alar 1.2
Su erficie horizontal de cola 0.19
Margen estático 12.4%
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Estabilidad
Simulaciones dinámicas: modo lon itudinal
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modo fugoide4
Impulse response for the Phugoide Mode
2
3
1
u d e
-1
0
A m p l i
-3
-2
0 50 100 150 200 250 300 350 400-4
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modo fugoide35
Step response for the Phugoide Mode
30
20
t u
d e
15 A m p l i
5
10
0 50 100 150 200 250 300 350 4000
Time [s]
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corto periodo0.15
Impulse response for the Short Period Mode
0.1
0
.
u
d e
-0.05 A m p l i
-0.15
-0.1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-0.2
Time s
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corto periodo0.15
Step response for the Short Period Mode
0.05
0.1
0
t u d e
-0.05 A m p l i
-0.15
-0.1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-0.2
Time s
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superficies de control Los alerones ocupan el tercio exterior de
ca a sem a a
a cuer a e a er n es un acuerda del ala
Un 80% del borde de salida de la colaen V está dotado de timón
cuerda del erfil de la cola
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Crucero con viento lateral Indy es capaz de volar con viento
cruza o
as e ex ones e as super c es emando son razonables y parecidas enm gnitud
garantizan la seguridad de la carga de
pago y la continuidad de la vigilancia
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Resultados simulación
BETA aδ r δ
5º 3.18º 3.22º 6.91º
º º º º. . .
15º 9.54º 9.66º 21.16º
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Propulsión
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Planta PropulsoraDucted Fan
Hélice entubada+
Motor 2 tiempos
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Planta PropulsoraDucted Fan
A
A E s
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Planta PropulsoraModelo Propulsivo para Ducted Fan
Basado en el motor 91VR-DF Relación áreas: Ah /A=0,9; As/A=0,75
91VR-DFMotor de dos tiempos
.
rpm: 2,500-25,000Power output: 4.8 hp @ 22,000Peso: 23.4 oz (660 g)Combustible: glow fuel
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Planta PropulsoraModelo Propulsivo para Ducted Fan
Empuje en función de la velocidad para 91 VR-DFEmpuje vs Velocidad
70
75
55
60
65
p u j e ( N )
h=0
h=100
h=200
h=300
40
45
50 E h=400
h=500
35
0 10 20 30 40 50 60
Velocidad (m/s)
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Planta PropulsoraModelo Propulsivo para Ducted Fan
Incremento de empuje con ducted fan:
A3
12s
==
, A i
2
N 399 ,58P A2 E 3i =ρ=Hélice convencional:
Incremento del empuje del 18,5%
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Planta Propulsora N 6 ,117 T 0 t Elección del motor
E1 P
2
3
out
Actuaciones
1,6
1,8
A A 4 sρ
0 8
1
1,2
1,4
Tto/Wto
MOTORES
D P o u t 0,20,4
0,6
12 cm 7,418 kW
0 100 200 300 400
T/W(N/m
2
)
16 cm 5,563 kWT/W(Subida) T/W(Perdida) T/W(Despegue) T/W(Crucero) T/W(Viraje)
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Planta PropulsoraElección del motor
Power output vs Engine capacity
246cc
12
14
u
t ( k W )
d=12 cm
32,9 cc
7,42 kW
5,56 kW
28,15 cc4
6
8
w e r u o t p
d= 14 cm
d=16 cm
6,36 kW
0
2
0 10 20 30 40 50
P
Engine capacicy (cc)
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Planta PropulsoraElección del motor
MOTOR HÉLICERPMmax RPM según paso (in)Pout D 6 8 10 12 14
cm
7,418 12 28679 37442 28081 22465 18721 16046
,5,563 16 21510 28081 21061 16849 14041 12035
D=16 cm aso= 12 in.
RPM=14041< RPMmax=21510
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Planta PropulsoraElección del motorHélice Pout Cubicaje Peso Empuje V=0
D=16 cm 5,563 kW 24,61 cc 0,98 kg 117,6 N
Empuje vs Velocidad
140
80
100
120
e ( N )
40
60 E m p u j
0
0 10 20 30 40 50 60
Velocidad (m/s)
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Planta PropulsoraDimensionado Motor
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Planta PropulsoraDimensionado Motor
Dimensiones (mm)CC A B C D E F G H J
91VR-DF 14,76 52 25 133,5 61 109,5 66 43,5 53,5 87,5
1,5 in cu 24,61 61,7 29,6 158,3 72,3 129,8 78,3 51,6 63,4 103,8
8/17/2019 Diseño uav
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Planta PropulsoraDimensionado Motor Size Length Weight
3.5cc (.20-.36) 11" 1.2 oz
u n e p e
6.5cc (.35-.45) 11¼" 1.8 oz
7.5cc (.40-.50) 12¼" 2.0 oz L8.5cc (.45-.60) 12¾" 2.0 oz
10cc (.60-.75) 13 1/8" 2.2 oz
15cc (.90-1.2) 15½" 3.0 oz
25cc (1.2-1.7) 23" 6.0 oz
24,61cc=1,5 in cu:
Lon itud: 584 mm35cc (1.7-3.2) 23½" 6.6 oz
Peso: 170 gr
8/17/2019 Diseño uav
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Planta PropulsoraDimensionado Motor
Motor
980 kg
L=158,3 mmHélice
170 gr
L=100 mm
L=584,2 mm
Longitud total: 842,5 mm
Peso total: 1,3 kg
8/17/2019 Diseño uav
65/95
Planta Propulsora·
Dimensionado Motor0 0
0
, ,
16,4
s
D cm=
14,6s D cm= s
,
cm 45 ,8 R cm 4 ,10 J 0
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Actuaciones
8/17/2019 Diseño uav
67/95
Punto de trabajo Actuaciones
1,41,6
,
0 6
0,8
1
,
Tto/Wto
0
0,2
0,4
0 100 200 300 400
T/W(N/m
2
)
T/W(Subida) T/W(Perdida) T/W(Despegue) T/W(Crucero) T/W(Viraje)
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,
W/S 285
2
Wto 34,86 Kg
8/17/2019 Diseño uav
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Características operativas Distancias de des e ue aterriza e
Segmentos restrictivos Alcances
u onom as
Envolvente de vuelo Carga de pago alcance
8/17/2019 Diseño uav
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Distancias de despegueLa calculamos por segmento obteniendo:
Sg=110,099m
t ,
S =55 66m
De esta forma la distancia empleada para
el despegue será:Stotal=m
8/17/2019 Diseño uav
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Distancias de aterrizajeEn el caso del aterrizaje las distancia necesaria
para su realización es:b= ,
= ,
Sa=55,67m
Obteniendo una distancia total de aterrizaje de:
Stotal=218,74m
8/17/2019 Diseño uav
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Segmentos restrictivos Viraje
mV 420= mV 1223=v ra e viraje
Viraje
180
120
140
160
D r a g
40
60
80
100
T h
r u s t o r rus
Drag
Vstall
0
20
0 10 20 30 40 50 60 70Speed (m/s)
8/17/2019 Diseño uav
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Crucero 2 mV 0723=scrucero 2
Crucero 2
6000 b l smV cruceroaut 0307,182max
=
4000
5000
i a o d i s p i n i
smV
cruceroalc73,23
2max =
2000
3000
c i a n e c e s a
0
0 10 20 30 40 50 60
P o t e
Speed (m/s)
Potencia necesaria
Vstall
8/17/2019 Diseño uav
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Subida Vv 3,954 m/s
Subida Gradiente 16%
140
160
180
g
,
80
100
120
u s t o r D r
Thrust
Dra
020
40 T h
Vstall
-4 6 16 26 36 46 56 66 76
Speed (m/s)
8/17/2019 Diseño uav
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Crucero 1
Crucero 1 Potencia disponible
Potencia necesaria
5000
6000
d i s p o n i b l Vstall
Potencia
disponible(Throttle 1)
2000
3000
4000
n e c e s a r i a
0
1000
P
o t e n c i
Speed (m/s)
8/17/2019 Diseño uav
76/95
Alcance
Estimado 452,48Km
Real 562 05Km
8/17/2019 Diseño uav
77/95
Crucero 1
Exi ido 185 2 Km
Real 202,9 Km
Exceso 8,72%
8/17/2019 Diseño uav
78/95
Distribución de alcancesDistribución de alcances (Km)
Subida
Despegue
Descenso
Crucero1Crucero3
DescensoSubida 2
Crucero2
8/17/2019 Diseño uav
79/95
8/17/2019 Diseño uav
80/95
Espera
Exi ido 14400s
Real 14521,65s
8/17/2019 Diseño uav
81/95
Distribución de autonomíasDistribución de autonomias(s)
AterrizajeDescenso Despegue Subida
Crucero1
Subida 2
Crucero3
EsperaDescenso
Giros
8/17/2019 Diseño uav
82/95
Consumos y pesos ,
Wto=34,86 Kg
Wf /Wto=0,90305722
8/17/2019 Diseño uav
83/95
Distribución gráfica de consumosDistribución de consumos
aterrizaje
descenso2 subida
despegue
crucero1crucero3
subida 2
iros
crucero2
esperadescenso
8/17/2019 Diseño uav
84/95
Envolvente de vueloEnvolvente de Vuelo
6
7
3
4
0
1 n
-3
-2
-1
-4
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Velocidad (m /s )
8/17/2019 Diseño uav
85/95
Diagrama carga de pago-alcance40
34,86
31,4535
26,48
21,4825
( K g )
15
20
P e s o s
5
10
0
0 459,75 1190,923 2097,347
alcance(Km)
Mejoras futuras (I)
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Estudio de la cola en V detallado y su
influencia en configuraciones de vuelocon viento cruza o
rofundidad diseño de las uniones
Estudio de la estabilidad en otrasconfiguraciones distintas al crucero
Mejoras futuras (II)
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ampliable
Inclusión de tren de aterrizaje
retráctil
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Diego Canales Rosa Garrido Cristina Prieto Javier Quilez
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Aerodinámica- Datos Polar
Desp Sub
CruceroEspera Cruc Desc Ater
, , , , , , ,
Cdo2 0,0289 0,0284 0,02809 0,02810 0,02862 0,028913
K 0,0451 0,0451 0,0451 0,0451 0,0451 0,0451 0,0451
K20,0138 0,0138 0,0138 0,0138 0,0138 0,0138 0,0138
Estimación c.d.g.
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Elemento C.D.G. res ecto al morro Peso
Motor 1,98 1,25
Ala 1,275 3,48690484
,
Fuselaje2 2,08 2,01496714
Fibra de carbono 2,27 0,73514596
Tren de aterrizaje principal 1,3 1,06602714
Tren de aterrizaje delantero 0,45 0,50823759
Carga de pago1 0,9 5
Carga de pago2 0,6 5
Carga de pago3 1,5 2,5
Carga de pago4 1,5 2,5
Combustible 1,75 3,4
Cola 2,5 0,77
Estimación de pesos. Cola en V
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Elementos
Elemento Material Elementos Peso totalCostillas Balsa 1/8’’ 6 0.0843
Borde de salida B. 1x1x36’’ 1 0.0238
Borde entrada B. Leading edge1x36’’ 1 0.0290
’’ . .
Soporte
largueros Spruce 4 0.0808
Recubrimiento B. Sheets 1/4x4x36’’ 2 0.1146
Estimación de pesos. Fuselaje
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FuselajeElemento Material Elementos Peso total
Cuadernas I Balsa 1/8’’ 16 0.106
Cuadernas II Contrachapado 1/8’’ 9 0.147
ua ernas on rac apa o .
Larguerillos B. Strips1 8x3 8x36’’ 12 0.2036
Suelo Contrachapado 1/8’’ 1 1.921
Paredes B. sheets 1 4x4x36’’ 2 0.801
Recubrimiento B. Sheets1/4x4x36’’ 1 1.624
ó
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Estimación de pesos. Ala Elementos
Elemento Material Elementos Peso total
Costillas Balsa 1/8’’ 42 1.184
Borde de salida B. 1x1x36’’ 1 0.156
B. Leadin ed e
1x36’’ .
Largueros 1 Contrachapado 1/8'' 2 0.141
Largueros 2 Balsa ¼’’ 4 0.147
Soporte largueros Spruce 4 0.598
Recubrimiento B. Sheets 1/4x4x36’’ 2 1.044
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