Aerodinámica ii

UNIDADES DE APRENDIZAJE
APRENDIZAJES ESPERADOS. Al término de la Unidad, el Cadete estará en condiciones de:
A.

Identificar los distintos tipos de aeronaves según su propósito y estructura.

B.

Reconocer las partes fundamentales de un avión y de un helicóptero.

C.

Definir los conceptos estructurales y aerodinámicos de una aeronave.

Contenidos mínimos:
A.- Clasificación de las Aeronaves según tipo y cantidad de motores , tipo y cantidad de alas y tipo
de flujo.
B.- Descripción de un avión y de un helicóptero. Describir las partes fundamentales de una
aeronave:
1.- Fuselaje
2.- Alas
3.- Superficies móviles
4.- Superficies hipersustentadoras
C.- Conceptos estructurales y aerodinámicos de una aeronave
1.- Ángulo de Incidencia
2.- Ángulo de Ataque.
3.- Ángulo de Diedro
4.- Ángulo de Flecha (Progresiva y Regresiva)

Clasificación de las Aeronaves según tipo y
cantidad de motores, tipo y cantidad de alas
y tipo de flujo.
• Una aeronave es cualquier vehículo capaz de
navegar por el aire o en general, por la
atmósfera de un planeta. Según la OACI,
aeronave es «toda máquina que puede
desplazarse en la atmósfera por reacciones
del aire que no sean las reacciones del mismo
contra la superficie de la tierra».

Tipos de Aeronaves
Existen dos tipos de aeronave:
1. Los aerostatos, son aparatos más livianos que el aire, fueron
los primeros en ser desarrollados, ya que su principio de
elevación los hacía mucho más asequibles al nivel científico y
tecnológico de la época y se caracterizan por contener un
fluido gaseoso de menor densidad que el aire. En este grupo
se encuentran los dirigibles y globos aerostáticos.
2. Los aerodinos son aeronaves más pesadas que el aire, y son
capaces de generar sustentación.
3. Vehículo aéreo no tripulado (UAV).
La sustentación puede ser generada por alas fijas (aeronaves de
alas fijas) o rotatorias (aeronaves de alas rotatorias).

Los Aeroestatos
Se clasifican en globos aerostáticos y
dirigibles.
1.Un globo aerostático es una aeronave aerostática no
propulsada. Los hermanos Joseph y Jacques Montgolfier
realizaron la primera demostración pública de este invento
el 04 de junio de 1783.
2.Un dirigible es un aerostato autopropulsado y con
capacidad de maniobra para ser manejado como una
aeronave. La sustentación aerostática se logra mediante
depósitos llenos de un gas de menor densidad a la
atmósfera circundante. El desarrollo de los dirigibles se
inició a partir de los globos aerostáticos. En 1784 Jean
Pierre Blanchard agregó un propulsor manual a un globo
aerostático, en lo que constituye el primer registro
documentado de un vuelo propulsado

Los Aerodinos
Se clasifican en :
•Aeronaves de ala fija: Las alas se encuentran adosadas
al resto de la aeronave y no poseen movimiento propio.
–
–
–
–
–
–

Avión
Planeador
Ala delta
Parapente
Paramotor (Parapente con motor)
Ultraligero

•Aeronaves de alas móviles
–
–
–
–
–
–

Helicóptero
Autogiro
Girodino
Combinado (aeronave)
Convertiplano
Ornitóptero

Clasificaciones
• Por la función que desempeñan
– Transporte
– Combate
– Rescate o ambulancia
• Clasificación de acuerdo con su empleo:
– Aviones civiles
– Aviones militares
– Aviones comerciales
• Clasificación de acuerdo con la construcción:
– Cantidad de alas: monoplanos, biplanos y multiplanos
– Posición del ala: alto, bajo y medio
– Cantidad de motores: monomotor, bimotor, etc.
– Tipo de fuselaje: monocoque, semi monocoque y sin fuselaje
– Tipo de material empleado: madera, metálica, resinas, etc.
• Sistema de propulsión:
– Turbojet,
– Turbohélice,
– Reciproco

El Fuselaje
La palabra viene del francés "fuselé" que significa
"ahusado“. Se denomina fuselaje al cuerpo principal
de la estructura del avión, cuya función principal es la
de dar cabida a la tripulación, a los pasajeros y a la
carga, además de servir de soporte principal al resto
de los componentes de la aeronave.
1.Es la estructura principal de una aeronave y la más
grande.
2.Soporta la estructura de la cola
3.Estructura sobre la cual se adosan otros
componentes como los motores, las alas, tren de
aterrizaje, etc.

Fuselaje Monocasco
Consiste en un casco hueco delgado sin elementos
transversales ni longitudinales. Es el fuselaje formado
por anillos distanciados entre si, a los cuales se fija el
revestimiento o piel que era muy grueso.
La palabra monocasco deriva de monocoque, que
significa “cáscara o curva plana simple sin
refuerzo”.
Cuando se la emplea, se recurre al uso de aleaciones
livianas con la ventaja de poder aumentar la
estabilidad del conjunto frente a las cargas que se
imprimen sobre el fuselaje. Es liviano pero es de
difícil construcción, es de difícil reparación, e
impone limitaciones de diseño.
Se usa en aviones pequeños

Fuselaje Semi Monocasco
El fuselaje semi-monocasco, es la construcción
estándar en la actualidad. Ha resuelto el problema
del grueso espesor del revestimiento de la estructura
monocasco. El fuselaje es de material más delgado
por la introducción de refuerzos intermedios que son
los largueros, larguerillos y cuadernas.

Los largueros unen las cuadernas a lo largo del eje
longitudinal del fuselaje, son las estructura
longitudinales más importantes de este tipo de
fuselaje.

Fuselaje Semi Monocasco
Los larguerillos cumplen una función
secundaria de refuerzo, le dan forma al
fuselaje y constituyen los puntos principales de
unión de la chapa de revestimiento metálico.
1. Usado en aviones mas grandes

2. Construido en aleaciones de aluminio y magnesio
3. La mayor parte de la fuerza es en la piel, la piel se
apoya en una subestructura de formadores y
largueros que dan a la piel su forma.

Se proporciona fuerza adicional en una estructura semimonocasco con una subestructura que refuerza la piel

Funciones y Componentes de un avión
Empenaje

En la cola del avión se encuentran montadas una serie de superficies
destinadas a mejorar la estabilidad y controlar el movimiento del aparato.
LA ESTABILIDAD LONGITUDINAL VENDRÁ ASEGURADA SOLAMENTE POR
LA ESTABILIDAD LONGITUDINAL VENDRÁ ASEGURADA SOLAMENTE POR
LA ACCIÓN DE LA COLA (ESTABILIZADOR HORIZONTAL).
LA ACCIÓN DE LA COLA (ESTABILIZADOR HORIZONTAL).

Empenaje
El modelo normal de empenaje de cola
consta de dos superficies básicas, la
horizontal y la vertical. Cada una tiene
secciones
fijas
para
proporcionar
estabilidad y móviles para controlar
mejor el vuelo.
La sección fija de la superficie horizontal
se llama estabilizador horizontal y suele
estar en la parte frontal, mientras que en
la posterior se encuentra la parte móvil
llamada timón de profundidad o elevador.
Algunas veces toda la superficie se
puede mover y el elevador se elimina.
La parte fija de la superficie vertical es el
estabilizador vertical y la móvil el timón
de dirección.

Empenaje
Hay diseños que tienen dos
superficies verticales y, por
tanto, dos timones de dirección.
Los
empenajes
de
cola
inclinados
combinan
las
funciones
de
dirección
y
profundidad
en
un
solo
mecanismo. En algunos aviones
supersónicos,
la
superficie
horizontal se ha sustituido por
dos aletas (canard) situadas a
cada lado cerca del morro del
avión.

Alas
El ala es el principal componente de un avión, su principal función es asegurar
que el avión puede mantener un vuelo estable. Pero al ser una estructura
bastante grande, la evolución tecnológica de los aviones ha hecho que adquiera
una serie de nuevas funciones aparte de mantener el vuelo. El ala es diseñada
basándose en criterios de actuaciones en vuelo, maniobrabilidad del avión,
consideraciones de diseño estructural y finalmente factores de diseño global del
avión (por ejemplo, donde poner un sistema u otro).

Alas
La función del ala es producir
sustentación y soportar cargas, por
lo tanto, su forma y estructura desde
el punto de vista estructural se
deberá comportar como una viga
capaz de resistir esfuerzos, y entre
ellos:
1. Cargas debidas al empuje o tracción
del motor.
2. Reacción debidas al tren de
aterrizaje.
3. Esfuerzos debidos a la deflexión de
las superficies móviles.
4. Cargas aerodinámicas. (sustentación
y resistencia).

Alas
Componentes principales:
Larguero (Spar): Viga que se extiende a lo
largo del ala. Es el componente principal de
soporte de la estructura. Soporta los
esfuerzos de flexión y torsión.
Costilla (Rib): Miembro delantero y posterior
de la estructura del ala, da forma al perfil y
transmite la carga del revestimiento a los
largueros.
Revestimiento (Skin): Su función es la de
dar y mantener la forma aerodinámica del ala,
pudiendo contribuir también en su resistencia
estructural.
Herrajes (Fitting): Son componentes de
metal empleados para unir determinadas
secciones del ala. De su cálculo depende
buena parte de la resistencia estructural del
ala. Resisten esfuerzos, vibraciones y
deflexiones.

Alas y principales funciones
1.

Dar sustentación y mantener el vuelo compensando del avión.

2.

Proveer de controlabilidad al avión en vuelo. Normalmente el ala es la encargada de la
funciones de control de balance, en algunas alas (por ejemplo ala en delta) es también la
encargada del control de cabeceo.

3.

Asegurar la capacidad de despegue y aterrizaje del avión, cosa que suele realizar
ayudándose de los dispositivos hipersustentadores, aumentando el área y Cl.

4.

En aquellos aviones con motores en ala es la encargada de mantener el motor y transmitir
su empuje al avión completo.

5.

Alojar el combustible, en la estructura interna del ala debe estar preparada para contener
combustible (protección química).

6.

Luces y señalización. En los extremos del ala suelen encontrarse normalmente luces que
son utilizadas para la navegación.

7.

Soporte de armamento. En los aviones militares soportar los misiles y bombas.

8.

Soporte de tanques de combustible externos, muchos aviones militares para misiones con
el alcance extendido.

9.

Alojamiento del tren de aterrizaje, muchos aviones tiene parte o bien todo el tren de
aterrizaje dentro del ala.

10. Soporte para salida de emergencia, que están localizadas sobre el ala.

Tipos de Alas

Superficies de control primarias

Las superficies de control primario con las que se consigue el equilibrio del avión,
básicamente son tres:
1.

Timón de profundidad que controla el movimiento longitudinal de cabeceo en el
eje lateral Y.
a)

Los timones de profundidad se encuentran localizados en la parte final o borde
de salida del estabilizador horizontal.

b)

Los timones de profundidad se actúan empujando y tirando sobre el mando de
vuelo o palanca

2.

Los Alerones controlan el movimiento de balance alrededor del eje X.
a)

Los alerones están localizados en el borde de fuga de las alas.

b)

Los alerones se activan girando la palanca o mando de izquierda y derecha

3.

El timón de dirección controla el movimiento de guiñada alrededor del eje vertical
Z.
a)

El timón de dirección está localizado en el estabilizador vertical en la sección de
la cola y cerca del borde de salida.

b)

El accionamiento del timón de dirección se efectúa presionando los pedales de
timón a derecha y a izquierda.

Superficies de control secundarias

Superficies de control secundarias
(Compensadores)
Cuando se desea continuar en una condición de equilibrio, el piloto debe operar
sobre algunos mandos del avión, ajustando su posición, de forma que si suelta
los mandos, se continua en la condición de vuelo deseada sin necesidad de
ejercer ninguna presión sobre los mandos. Esta acción se llama compensar, es
decir la aeronave no se encuentra sometida a ninguna aceleración ni lineal ni
angular, es decir el avión se encuentra en equilibrio dinámico la suma de todas
las fuerzas y momentos es 0

Superficies de control secundarias (Compensadores)
Compensadores tipo servos
La instalación más común en
aviones
pequeños
es
un
compensador simple adosado al
borde de fuga del elevador.
Muchos
compensadores
son
operados manualmente por una
pequeña
rueda
montada
verticalmente.
Este tipo de compensador se
mueve en sentido contrario al
elevador.

Superficies de control secundarias (Compensadores)
Control Antiservo
Un compensador anti-servo funciona de
manera opuesta a un compensador servo.
Se mueve en la misma dirección que la
superficie de control, haciendo que el
movimiento de la superficie de control más
difícil y requiere que se aplique más fuerza
a los controles por parte del piloto. Se
ocupa en aeronaves donde los controles
son demasiado livianos o que la aeronave
necesita una estabilidad adicional en el eje
de movimiento.

Dispositivos hipersustentadores
Descripción
Un dispositivo hipersustentador es un ingenio aerodinámico diseñado para
aumentar la sustentación, en determinadas fases del vuelo de una aeronave. Su
fin es evitar la entrada en pérdida durante fases concretas del vuelo, como el
aterrizaje o el despegue, replegándose o quedando inactivo durante el vuelo
normal de crucero. De este modo permite al avión volar a velocidades más bajas
en las fases de despegue, ascenso inicial, aproximación y aterrizaje, aumentando
su coeficiente de sustentación.
Los dispositivos hipersustentadores se pueden dividir en dos tipos principales:
1.
2.

Pasivos: son dispositivos que modifican la geometría del ala ya sea
aumentando su curvatura, su superficie o bien generando huecos para
controlar el flujo.
Activos: son dispositivos que requieren una aplicación activa de energía
directamente al fluido.

Dispositivos hipersustentadores de un
avión
Dispositivos pasivos

Los sistemas más usados son aquellos en que los
planos hipersustentadores, crean un ángulo que se mide
en grados con la cuerda del ala, desplazándose hacia
atrás o adelante aumentando la superficie alar a medida
que bajan
Estos son los Flaps y los Slats

Dispositivos hipersustentadores de un avión
Flaps
Este dispositivo se localiza en la parte
interna del ala, el flap ayuda a la aeronave
a volar más lento. Esto ayuda a aumentar
la fuerza de sustentación en el ala a bajas
velocidades así como los despegues y
aterrizajes. Estas bajas velocidades
permiten acortar las velocidades durante el
despegue y aterrizaje.

El flap aumenta la curvatura del perfil para
incrementar el coeficiente de sustentación.
Existen flaps de borde de ataque y de fuga

Slats y Slots
Ranuras de borde de ataque
Consiste en una abertura en forma de
ranura, situada en el borde de ataque entre
un perfil auxiliar, slat y el perfil básico.
La ranura tiene la finalidad de insuflar aire a
gran velocidad sobre el extradós del perfil.
(Soplador)
La misión de los slats, es la de permitir
alcanzar mayores ángulos de ataque sin
entrar en pérdida. Los slats pueden ser fijos
o móviles para permitir el cierre de la ranura
a pequeños ángulos de ataque

Aspiradores y sopladores de capa límite

Es una bomba de vacío, que se ubica al interior del ala, que aspira las
partículas de la capa límite(partículas con baja presión), en donde se espera
que esta se desprenda, evitando la aparición de una estela turbulenta
disminuyendo la resistencia y aumentando la eficiencia de combustible
hasta en un 30%

Aspiradores y sopladores de capa límite

A través de una fuente de aire a alta presión ( a menudo del compresor del
motor) se sopla aire a través de unas ranuras sobre la superficie del perfil,
adicionando energía a la capa límite, permitiendo operar a mayores ángulos de
ataque

Efecto Barrido de Hélices
Los aviones se diseñan para que las alas queden fuera en al medida de lo
posible del barrido de la hélice. El motivo es que, este barrido introduce
perturbaciones no deseadas en la corriente de aire que pasa por ellas, lo que
hace que la sustentación tienda a ser asimétrica o errática en las zonas
afectadas. Es una de las razones que llevaron a diseñar aviones con ala alta

Spoilers
Un Spoiler es un disruptor, deflector
que busca reducir la sustentación de un
avión. Son placas montadas en la cara
superior de las alas que se abren,
rompiendo el flujo laminar reduciendo la
sustentación en el ala parcialmente,
controlando la tasa de descenso, lo que
permite realizar un aterrizaje controlado
en el punto deseado.

Generadores de vórtices
Los generadores de vórtices
son perfiles pequeños y
delgados que se colocan
lugares de transición de flujo
laminar a turbulento. Estos
perfiles
adicionan
aire
turbulento que energizan la
capa límite, la pegan a la
superficie del perfil y causan
retraso en la aparición del stall.

Winglet:
Son superficies aerodinámicas que se integran a la estructura del ala para evitar
que las corrientes de aire de la parte superior e inferior del perfil se junten y formen
un torbellino de punta de ala o vórtice de alta energía el cual proporciona
resistencia.
Luego la finalidad del Winglet, es
atraer todos los vórtices del ala a un
vórtice más pequeño y reducir
considerablemente la resistencia
inducida.

Conceptos básicos de aerodinámica del ala

Definiciones

Radio de Borde de ataque:

define la forma o agudeza del borde de ataque

El Viento relativo
Término que describe la dirección y velocidad del viento con relación a la superficie
de sustentación de una aeronave (alas en un avión, rotor principal en un
helicóptero). El viento relativo sopla en dirección paralela y opuesta a la trayectoria
de vuelo del aparato.
En aerodinámica asumimos que el viento fluye contra el avión, pero en la practica el
avión es el que se mueve a través del viento, pero las fuerzas se producen de igual
manera, resumiendo, el viento relativo fluye siempre en contra de la
TRAYECTORIA de vuelo del avión

Ángulo de Ataque
Es el ángulo agudo formado por la cuerda del ala y la dirección del viento
relativo. Este ángulo es variable, pues depende de la dirección del viento
relativo y de la posición de las alas con respecto a este, ambos extremos
controlados por el piloto. Es conveniente tener muy claro el concepto de
ángulo de ataque pues el vuelo está directa y estrechamente relacionado
con el mismo.

Ángulo de Incidencia
El ángulo de incidencia es el ángulo agudo formado por la cuerda del ala con
respecto al eje longitudinal del avión. Este ángulo es fijo, pues responde a
consideraciones de diseño y no es modificable por el piloto.

Ángulo de diedro del ala

Se denomina efecto del diedro a los momentos de balanceo a que da lugar el
resbalamiento o una guiñada

Ángulo de la flecha del ala
Es el Ángulo que forman las alas (más
concretamente la línea del 25% de la cuerda)
respecto del eje transversal del avión.
La flecha puede ser positiva (extremos de las
alas orientados hacia atrás respecto a la raíz
o encastre, que es lo habitual), neutra, o
negativa (extremos adelantados).
Para tener una idea más gráfica, pongamos
nuestros brazos en cruz como si fueran unas
alas; en esta posición tienen flecha nula, si
los echamos hacia atrás tienen flecha
positiva, y si los echamos hacia delante
tienen flecha negativa

Aerodinámica del helicóptero.

Aerodinámica del helicóptero
1.- Descripción de los principales componentes de un helicóptero y su función.
- Fuselaje.
- Empenaje (estabilizador horizontal y vertical).
- Rotor principal.
- Tipos de rotor principal.
- Rotor de cola.
- Tren de aterrizaje.
- Accesorios para control vertical, horizontal y lateral (colectivo, cíclico y pedales)
2.- Fuerzas que actúan durante el vuelo de un helicóptero.
- Sustentación, peso, tracción, resistencia al avance, centrífuga, torque o par motor.
3.- Descripción de reacciones aerodinámicas.
- Velocidad del rotor.
- Disimetría de la Sustentación.
- Disimetría de la Sustentación en el rotor de cola.
- Precesión giroscópica.
4.- Vuelo estacionario y efecto suelo.
- Flapeo ó flapping.
- Autorrotación.


Aeronaves
CTOL

Aeronaves
STOL

Aeronaves
VTOL

Son aeronaves convencionales, que
requieren de pistas largas y bien
preparadas
Son aeronaves que realizan
despegues y aterrizajes en
pistas cortas
Son aeronaves que realizan
despegues y aterrizajes
verticales, a este grupo
pertenecen los helicópteros

Distintos tipos de alas rotatorias

Características ú
nicas
– Vehículos con alas rotatorias
– Capacidad de hacer vuelo estacionario
– Aterrizar y despegar verticalmente
– Volar hacia adelante, atrá y los lados
s
Los helicó pteros está estrechamente relacionados con
n
los autogiros.

CLASIFICACIÓN DE LOS HELICÓPTEROS

Tipos de helicópteros. Por configuración

Tipos de helicópteros. Por misión y peso

Descripción de los principales componentes de un
helicóptero y su función

Estructura general

•Fuselaje
•Tren de Aterrizaje
•Cono de cola
•Cubiertas de motor (cowling)
• transmisión principal

Estructura general

Estructura general Sección nariz y habitáculo de pasajeros

Estructura general Sección intermedia

Estructura general sección de la cola

Estructura general estabilizador vertical

Estructura general estabilizador horizontal

Estructura general estabilizador horizontal

COUGAR

Estructura general tren de aterrizaje

COUGAR

Estructura general tren de aterrizaje

Rotores

Rotor Principal
El rotor es la parte giratoria del
helicóptero que genera la sustentación.
El rotor principal no sólo sirve para
mantener el helicóptero en el aire
(estacionario), así como para elevarlo o
descender, sino también para impulsarlo
hacia adelante o hacia atrás, hacia los
lados o en cualquier otra dirección.
Esto
se
consigue
mediante
un
mecanismo complejo que hace variar el
ángulo de incidencia (inclinación) de las
palas del rotor principal dependiendo de
su posición.

Rotores Principal (Articulado)
Un rotor articulado en general tienen la
capacidad que las palas se puedan mover
como se indica a continuación:
1)

Movimiento de aleteo o batimiento ( subida
y bajada )

2)

Movimiento de avance y retroceso en el
plano de la pala

3)

Variación en el ángulo de calado ,
manteniéndose constante esta variación a
lo largo de una vuelta ( paso colectivo )

4)

Variación del ángulo de calado cariándolo a
lo largo de una vuelta ( paso cíclico )

5)

Movimiento de giro en torno al eje de
arrastre del rotor

Rotores Principal (Semi Rígido)
Es un “combinado” de los rotores rígidos y articulados.
1)

Movimiento de giro en torno al eje
de arrastre del rotor. Elimina
algunos de los inconvenientes de
los rotores articulados, aunque
naturalmente surgen otros propios
de este sistema.

2)

Las palas no se articulan en el
buje; es el conjunto el que puede
inclinarse en todas direcciones
mediante la articulación cardan o
junta universal que une el buje al
mástil.

Rotores Principal (Rígido)

1)

En un rotor rígido el eje de giro y
el buje están rígidamente unidos
formando una única pieza.

2)

Las palas están encastradas
rígidamente al buje, teniendo
solamente la libertad de giro sobre
su eje longitudinal para la
variación de paso.

3)

Sus
características
más
importantes son la sencillez
constructiva
y
la
robustez
mecánica


No visible
amortiguador de
arrastre

RIGIDO: Libertad para
cambio de paso


Muy común en
helicópteros de dos
palas

SEMIRIGIDO: Libertad
para cambio de paso y
arriba y abajo


Es visible el
amortiguador de
arrastre

ARTICULADO: Libertad
para cambio de paso,
batimiento y arrastre

Rotor de cola

Rotor de cola convencional, función especifica
El rotor de cola, o rotor antipar, es un componente típico en los helicópteros que tienen un
único rotor principal que consiste en una hélice montada en el larguero de cola del
helicóptero, con un eje de rotación lateral. El empuje que crea, está desplazado del
centro de gravedad, contrarrestando el par motor creado por el rotor principal,
manteniendo el aparato estable en el aire. El paso de las palas del rotor de cola es
regulable por el piloto mediante los pedales, esto permite al piloto rotar el helicóptero
sobre su eje vertical, proporcionando el control de dirección

Rotor de cola, fenestrón
El fenestrón, también llamado fantail o
rotor de ventana, es una hélice de 8 a
18 palas o álabes, encerrado en la cola
del helicóptero. Esta situación permite
una mayor fuerza de rotación que un
rotor convencional y por ésta razón y su
mayor número de palas puede tener un
tamaño menor que un rotor de cola
normal.
Sus ventajas son mayor seguridad al
estar más protegido y el menor nivel de
ruido.
Su desventajas, aumento de peso, el
costo, la complejidad y el consumo,
sobre todo en vuelo estacionario.

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