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VUELO SUPERSONICO EDUARDO BARRIGA SCHNEEBERGER AERODINAMICA VUELO SUPERSONICO. http://vimeo.com/38525645

Vuelo Supersónico

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AERODINAMICA

VUELO SUPERSONICO.

http://vimeo.com/38525645

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AERODINAMICA

DEFINICIONES

Subsónico: Vuelo a velocidades inferiores a 1 Mach.

Transónico: Avión que, aún cuando vuela normalmente en subsónico, bajo ciertas condiciones de vuelo (picada por ejemplo) alcanza velocidades supersónicas. Esta categoría de vuelo, a veces, se considera dentro del rango supersónico.

Supersónico: Avión que vuela a velocidades superiores a 1 Mach e inferiores a 5 Mach.

Hipersónico: Vuelo a velocidades superiores a 5 Mach.

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AERODINAMICA

VELOCIDAD DEL SONIDO

Es la velocidad a la cual se desplazan las ondas de sonido en un medio. La velocidad del sonido depende de muchos factores, como por ejemplo:

Naturaleza del medio (Densidad): Sólido, líquido o gaseoso Temperatura del medio

En el aire, a nivel del mar, la velocidad del sonido es de aproximadamente 340 m/s y a medida que se asciende es menor por efecto de la disminución de la temperatura del aire con la altura.

La relación entre la velocidad de vuelo del avión (velocidad del viento relativo al avión) y la velocidad del sonido se denomina:

NÚMERO DE MACH = M

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INCOMPRESIBLE - COMPRESIBLE

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• DensidadAire Gas Ideal PV = n R T

Fluidos Compresibles: Densidad variable. Gases (Aire, Nitrógeno, etc.)

Fluidos Incompresibles: Densidad constante. Líquidos (Agua, Comb., etc.)

INCOMPRESIBLE - COMPRESIBLE

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Densidad de un fluido o cuerpo

= m/V

m: Masa en kilogramos

V: Volumen en m3

La densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen

INCOMPRESIBLE - COMPRESIBLE

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AERODINAMICA

Para velocidades pequeñas, la densidad del aire () se asume constante: fluido incompresible.

A grandes velocidades la densidad del aire no se puede suponer invariable; es necesario considerar el aire como un fluido compresible.

Los efectos de la compresibilidad del aire son considerados despreciables (no se considera) para velocidades menores a 0,3 Mach (114 m/s ó 410 km/h ó 250 kts)

FENÓMENO DE LA COMPRESIBILIDAD DEL AIRE

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ONDAS DE CHOQUE EN VUELO SUBSÓNICO Sustentación es el resultado de la acción combinada del espesor, la

curvatura y el ángulo de ataque del perfil. La velocidad del aire en el extrados es superior a la de la corriente

libre lo que origina una disminución de la presión local (efecto Bernoulli) con respecto a la del intrados.

Este aumento de velocidad local de las partículas sobre el extrados puede hacer que localmente, en el punto de máxima velocidad, se alcance una velocidad igual a la del sonido.

Velocidad Subsónica del Viento Relativo

Velocidad Sónica delflujo sobre el perfil

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AERODINAMICAONDAS DE CHOQUE EN VUELO SUBSÓNICO

El número de Mach del viento relativo que hace que localmente se alcance la velocidad M=1 se denomina Mach Crítico.

Al aumentar el ángulo de ataque, para un mismo perfil, las velocidades sobre el extrados aumentan por lo tanto el Mach crítico será inferior mientras mayor sea el ángulo de ataque.

Si la velocidad del avión aumenta por sobre el Mach crítico el punto donde se alcanza M=1 estará más adelantado y en el punto de máxima velocidad se habrá superado el Mach unidad (M=1).

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En el caso que la velocidad de vuelo es superior al Mach crítico se observa una zona de corriente supersónica sobre y/o bajo el perfil, aunque el vuelo sea francamente subsónico.

El paso de subsónico a supersónico se hace de forma continua y suave.

El paso de supersónico a subsónico se hace a través de una onda de choque en forma brusca (no continuo). Se produce un salto brusco en las propiedades del fluido antes y después de la onda de choque.

ONDAS DE CHOQUE EN VUELO SUBSÓNICO

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Antes de la Onda de ChoqueP11T1V1

Después de la Onda de ChoqueP22T2V2

P1 < P21 < 2T1 < T2V1 > V2

Detrás de la onda de choque el aire es más denso, más caliente y tiene mayor presión y menos velocidad que antes de la onda.

ONDAS DE CHOQUE EN VUELO SUBSÓNICO

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Si se desea aumentar el valor del Mach crítico, retrasando la aparición de las ondas de choque, será necesario disminuir el espesor de los perfiles.

Esta situación puede suceder en cualquier parte del avión que está enfrentando el flujo de aire. Es decir, la aparición de ondas de choque no es sólo en las alas del avión, también pueden aparecer en el fuselaje, tomas de aire de los motores, empenaje, etc.

En efecto, las toberas de admisión de los motores en aviones supersónicos, se diseñan de manera que la onda se produzca FUERA del motor. Con esto se logra que el flujo de entrada al motor se encuentre a una velocidad subsónica.

ONDAS DE CHOQUE EN VUELO SUBSÓNICO

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Onda deChoque

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NORMAL OBLICUA

PEGADA DESPEGADA

ONDAS DE CHOQUE EN VUELO SUPERSÓNICO

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La principal diferencia entre las ondas de choque pegadas y despegadas es que las primeras (pegadas) producen un calentamiento mayor en la estructura del avión, esto debido a los altos niveles de roce que se producen a nivel de la capa límite. Ejemplo: El trasbordador espacial considera una nariz redondeada para evitar un calentamiento excesivo de la estructura.

Sin embargo, en mayor o menor medida, con ambos tipos de ondas de choque (pegadas y despegadas), la superficie del avión se calienta.

ONDAS DE CHOQUE EN VUELO SUPERSÓNICO

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ONDAS DE CHOQUE EN VUELO SUBSÓNICO

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Desde el punto de vista de la resistencia, las ondas de choque pegadas generan menor resistencia que las despegadas. Es por eso que los aviones supersónicos, tienen formas puntiagudas, pues a pesar de producirse un calentamiento mayor, estas temperaturas hasta los 3 Mach pueden ser resistidas por los materiales normales.

ONDAS DE CHOQUE EN VUELO SUPERSÓNICO

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M < 1 M = 1 M > 1

ONDAS DE CHOQUE EN VUELO SUPERSÓNICO

Propagación de la perturbación producida por un avión:

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EFECTOS DE LA COMPRESIBILIDAD

En una onda de choque parte de la energía cinética del flujo de aire (velocidad) se transforma en calor:

Eantes (V1) = E después (V2 + Calor)

El calor es absorbido por el avión. Luego, al volar sobre el Mach crítico (ondas de choque), significa que

se estará transmitiendo al avión una energía igual a la que se pierde a través de la onda. Por lo tanto, la existencia de la onda de choque produce la aparición de una nueva resistencia al avance del avión:

RESISTENCIA DE ONDA

Resistencia Total del Avión

- Resistencia Parásita- Resistencia Inducida- Resistencia de Onda

SOBRE CL Y CD

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La resistencia de onda es mayor cuanto mayor es el Mach de vuelo El gráfico siguiente muestra la variación de las diferentes resistencias

con respecto al número de Mach

EFECTOS DE LA COMPRESIBILIDADSOBRE CL Y CD

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Del gráfico, es anti-económico volar por encima del Mach crítico, pues el gran aumento de resistencia va en proporción directa al consumo de combustible.

Para obtener un Mach crítico lo más elevado posible se debe: Utilizar perfiles de poco espesor, con variación suave de la

curvatura media Actuar sobre la capa límite Utilizar alas en flecha Utilizar alas de poco alargamiento

Alargamiento = Razón de Aspecto = Envergadura / cuerda media

EFECTOS DE LA COMPRESIBILIDAD

SOBRE CL Y CD

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EFECTOS DE LA COMPRESIBILIDAD

Avión subsónico de alta velocidad y eficiencia que permitiría cubrir trayectos de 6.000 a 9.000 NM a una velocidad de crucero de Mach 0,95 a 0,98 (régimen transónico), que representaría un viaje un 15% a 20% más rápido que los aviones subsónicos existentes en la actualidad.

Avión utiliza un 20% menos de combustible que cualquier otro avión de su tamaño en misiones similares, y viaja a una velocidad parecida a la de los actuales aviones comerciales más rápidos, es decir Mach 0,85,

Boeing Sonic Crusier Boeing 787

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En el caso de vuelos subsónicos, es sabido que el centro aerodinámico de un perfil se encuentra aproximadamente en el 25% de la cuerda (medido desde el borde de ataque)

En el caso de los perfiles que vuelan en supersónico, el centro aerodinámico se encuentra a aproximadamente 50% de la cuerda

EFECTOS DE LA COMPRESIBILIDADSOBRE EL CENTRO AERODINÁMICO (RETRASO)

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El propósito de las alas en flecha es retrasar la aparición de las ondas de choque

ALAS EN FLECHA

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Cuando un ala con ángulo de flecha se enfrenta a un flujo de aire ocurre que el efecto del viento relativo se podrá separar en dos:

Sólo la componente Vn interviene para generar la sustentación.

La componente Vt se mueve paralela al borde de ataque y no contribuye a los cambios de presión en el ala, pero si afecta la capa límite en la punta de ala.

El ángulo de flecha permite que la componente de la velocidad del viento relativo Vn sea menor que Vi, luego, el Mach crítico aumenta

Vn = Vi · cos

ALAS EN FLECHA

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ALAS EN FLECHA

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Un efecto NEGATIVO de las alas en flecha es que mientras mayor es el ángulo de flecha es menor el coeficiente de sustentación.

ALAS EN FLECHA

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AERODINAMICA

El área transversal de las diferentes secciones que se producirían al cortar un avión por planos perpendiculares al eje longitudinal, no debe presentar cambios bruscos. Es decir, si se ubican en un gráfico las áreas de las secciones versus el eje longitudinal del avión, los cambios deben ser lo más suave posible.

Partir de cero e ir aumentando gradualmente hasta el máximo y luego disminuyendo gradualmente hasta llegar al final del avión.

Por respetar esta regla es que el fuselaje de los aviones en la parte de las alas forman una cintura como el cuerpo de una avispa o una botella de Coca Cola

REGLA DE ÁREAS

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REGLA DE ÁREAS

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AERODINAMICA

Tipo de ala como la que utiliza el avión MIRAGE. Se caracteriza por:

Tener un pronunciado ángulo de flecha y poco alargamiento

Ángulo de ataque al que se produce el Stall es muy elevado

cuerdaaenvergadur

cb

λtoAlargamien

ALA DELTA