sirius - Área de ingeniería aeroespacialaero.us.es/adesign/trabajos/curso_2009_10/grupo_07.pdf ·...
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SIRIUS
1.- DISEÑO
2.- AERODINÁMICA
3.- ESTRUCTURAS
4.- ESTABILIDAD Y CONTROL
5.- PROPULSIÓN Y ACTUACIONES
6.- CONCLUSIONES
SIRIUS
1.- EVOLUCIÓN DEL DISEÑO
1.1. MODIFICACIONES
1.2. ESTRUCTURA INTERNA
2.- PRODUCTO FINAL
3.- PLANOS
SIRIUS
MODIFICACIONES:- Retraso de la cabina- Espacio para el motor- Distribución interior- Ala y cola con flecha- Estructura interior
SIRIUS
1.- PERFILES AERODINÁMICOS
2.- DISEÑO DEL ALA
3.- DISEÑO DE LA COLA
4.- PARÁMETROS DEL AVIÓN
– CLmáx.
– Angulo ataque máx.
– Polar del avión.
5.- EFICIENCIA.
SIRIUS
Clo 0,273
Cla 6,005
Clmax 1,444
a0L -2,237
aCLmax 15,000
Cdo 0,0068
Cdmin 0,0068
Clmin,drag 0,273
Cmo -0,053
Cma -0,0006
Clo 0,000
Cla 6,828
Clmax 1,540
a0L 0,000
aCLmax 15,000
Cdo 0,0068
Cdmin 0,0067
Clmin,drag 0
Cmo 0
Cm 0
NACA 2415 NACA 2415
SIRIUS
• Para estrechamiento 0,9
Factor de Oswald (e) :
λ 0,9
K 0,04227
R 0,95951
λ1 7,19769
e 0,94170
SIRIUS
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03
CL
CD
Polar del perfil y el ala
Polar del Ala
Polar perfil
SIRIUS
• Pendiente curva sustentación:
– CLα=4,8774
• Coeficiente de sustentación nulo:
– CLO=-4,8774*(-0,039)=0,19043
*0 LLL CCC
SIRIUS
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
-5 0 5 10 15 20
CL
AOA(grados)
CL del Ala y el Perfil
Ala
Perfil
SIRIUS
y = -0,0006x - 0,0534
-0,15
-0,13
-0,11
-0,09
-0,07
-0,05
-0,03
-0,01-10 -5 0 5 10 15 20
Coeficiente de momento del ala
Coeficiente de momentoCMα =0,0006
SIRIUS
• Para estrechamiento 0,83
Factor de Oswald (e) :
λ 0,833
K 0,1915
R 0,9195
λ1 1,3913
e 0,9966
SIRIUS
• Pendiente curva sustentación:
– CLα=2,45(radE-1)
• Coeficiente de sustentación nulo:
– CLO=0 (radE-1)
*0 LLL CCC
SIRIUS
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 5 10 15 20
CL
AOA(grados)
CL de la Cola y el perfil
perfil
Cola
SIRIUS
• Cálculo del CLmáx.
Si consideramos que ∆y=3,9 y ΛLE=0, se obtiene que
CLmax=1,2996 en configuración limpia.
Fowler flaps para aumentar la sustentación:
CLmax =2,166 en configuración sucia
SIRIUS
• Cálculo del Angulo de ataque máx.
αzL=-2,227˚=-0,0039 rad
Lmax Lmax
LmaxC zl C
L
C
C
Como:
Por tanto αCLmax= 15,2297
SIRIUS
• Cálculo de la polar del avión:Polar parabólica de coef. Constantes.Mediante el “Component Build-up Method”:
DESPEGUE SUBIDA CRUCERO DESCENSO ESPERA ATRRIZAJE
V(km/h) 100,2 137,5 259,9 137,6 185,0 93,7
M 0,08209 0,11269 0,21296 0,11267 0,15153 0,07675
Cdo (limpio) 0,03217 0,02274 0,02213 0,02358 0,02351 0,03285
Cdo (sucia) 0,03217 0,02613 0,02553 0,02697 0,02690 0,03285
SIRIUS
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
CL
CD
Polar del avión
Subida
Crucero
Despegue
Espera
Aterrizaje
SIRIUS
• Cálculo de la polar del avión:Crucero en máx. autonomía y alcance.
AUTONOMÍA ALCANCE
V(Km/h) 118,94 156,53
M 0,09742 0,12821
Cdo (limpio) 0,02200 0,02276
Cdo (sucia) 0,02540 0,02616
SIRIUS
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08
CL
CD
Polar crucero
Autonomia
Alcance
SIRIUS
• Un avión tiene un alto L/D si es elevada su sustentación y/o baja su resistencia.
• La eficiencia máxima se obtiene en crucero:
SIRIUS
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0,5 1 1,5 2
L/D
CL
Eficiencia Aerodinámica del avión
Subida
Crucero
Despegue
Espera
Aterrizaje
SIRIUS
• La Eficiencia máxima para las distintas configuraciones del avión:
DESPEGUE SUBIDA CRUCERO DESCENSO ESPERA ATERRIZAJE
V 100,2 137,5 259,9 137,5 185,0 93,7
M 0,0820 0,1126 0,21296 0,11267 0,1515 0,0767
Cdo 0,0321 0,02613 0,02553 0,02697 0,0269 0,0328
Emax 13,5594 15,04418 15,2211 14,8067 14,8260 13,4182
SIRIUS
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
E
CL
Eficiencia crucero
E autonomia
E alcance
SIRIUS
• La Eficiencia máxima para crucero en máx. autonomía y máx. alcance:
AUTONOMIA ALCANCE
V 118,9 156,5
M 0,09742 0,128212
Cdo 0,02540 0,026162
Emax 15,25917 15,03627
SIRIUS
1.ESTIMACIÓN DE PESOS DEFINITIVA
1.1 Método combinado: Cessna+USAF+Torenbeek1.1.1 Novedades1.1.2 Avance de resultados
1.2 Resultados estimación de pesos1.2.1 Estructuras1.2.2 Equipos1.2.3 Estructuras + equipos1.2.4 Combustible1.2.4 Despegue
1.3 Desglose de pesos
2. CÁLCULO DE LA POSICIÓN DEL CDG
SIRIUS
1.1 Método Combinado: Cessna+USAF+Torenbeek
- Mejor herramienta de que disponemos.
- Objetivo: Refinar estimación de pesos de ala y fuselaje mediante compensación entre métodos.
-Últimos resultados obtenidos:
ALAS FUSELAJE
132.3 Kg 81.2 Kg
SIRIUS
1.1.1 NOVEDADES:
- Se ha prescindido de la APU.
- Las 2/3 partes de las alas serán fabricadas en material compuesto.
- El tanque de combustible se ha dividido en 2.
- El resto de parámetros se han mantenido.
1.1.2 AVANCE RESULTADOS:
COMPARATIVA CESSNA COMBINADO DIFERENCIA
ALAS 132.3 Kg 84.6 Kg 47.7 Kg
FUSELAJE 81.2 Kg 84.5 Kg -3.3 Kg
SIRIUS
TOTAL ESTRUCTURAS 224.4 Kg
ALAS 84.6 Kg
COLA EN V 6.8 Kg
FUSELAJE 84.5 Kg
TREN DE
ATERRIZAJE
48.4 Kg
0102030405060708090
1.2.1 Estructuras
ALA
COLA EN V
FUSELAJE
TREN DE ATERRIZAJE
SIRIUS
0102030405060708090
1.2.2 Equipos
ELÉCTRICO
AVIÓNICA
MOBILIARIO
MOTOR
TOTALEQUIPOS 115.2 Kg
ELÉCTRICO 16 Kg
AVIÓNICA 4 Kg
MOBILIARIO 14 Kg
MOTOR 81.8 Kg
SIRIUS
050
100150200250300350
1.2.3 Estructuras + Equipos
ESTRUCTURAS
EQUIPOS
W0
W0 339.6 Kg
ESTRUCTURAS 224.4 Kg
EQUIPOS 115,2 Kg
Restricción RFP: 450 Kg
SIRIUS
0100200300400500600
1.2.5 DESPEGUEPESO MÁX DESPEGUE 587.2 Kg
W0 339.64 Kg
COMBUSTIBLE 77.63 Kg
PAYLOAD 170 Kg
Restricción RFP: 600 Kg
SIRIUS
Alas: 84.6 Kg
Fuselaje: 84.5 Kg
Cola en V: 6.8 Kg
Tren de aterrizaje: 48.4 Kg
Motor: 81.8 Kg
Eléctrico: 16 KgAviónica: 4 KgMobiliario: 14 Kg
Combustible: 77.6 Kg
Payload: 170 Kg
SIRIUS
1.ESTABILIDAD LONGITUDINAL
1.1 Derivadas de Estabilidad Longitudinal
1.2 Margen Estático
1.3 Trimado Longitudinal
2. ESTABILIDAD LATERAL-DIRECCIONAL
2.1 Derivadas de Estabilidad Lateral-Direccional
2.1 Trimado con β=15º
2.1 Viraje coordinado
3. ESTABILIDAD DINÁMICA
3.1 Longitudinal.
3.2 Lateral-Direccional.
4. CRITERIOS DE ESTABILIDAD Y NORMATIVA
SIRIUS
• Peso=555 kg Velocidad=72 m/s
• xacw=2.2m xcg=2.15m xact=5.25m
• iw=0° it=-1.7°
• Motor centrado LT=NT=FT=0
• SE/St=SR/Sv=0.4 cola en V
• Diedro del Ala = 3°
• ca/cw=0.25
• Alerón desde y=2.5m hasta y=3.8m
SIRIUS
1.1 Derivadas de Estabilidad Longitudinal
1.2 Margen Estático
Entrega SM
2ª 0.71
3ª 0.008
Final 0.145
0 α δe
CL 0.1695 5.2028 0.3266
CM 0.0132 -0.7481 -1.0633
SIRIUS
CYβ -0.3185 CYδa 0 CYδr 0.1701
CLβ -0.1470 CLδa 0.2765 CLδr 0.0223
CNβ 0.0749 CNδa -0.0231 CNδr -0.0590
2.1 Derivadas de Estabilidad Lateral-Direccional
2.2 Trimado con β fijo
δa 6.65º δr 16.45º ϕ 7.54º
β=15°
SIRIUS
2.3 Viraje Coordinado
•Momentos de Inercia (kg/m2)
• Factor de carga = 1.2
• Velocidad = 35 m/s
Ixx 789.36 Izz 2121.69 Ixz -41.694
Iyy 1418.32 Ixy -2.305 Iyz -0.055
β -0.742 º
δa -0.552º
δr -2.768 º
SIRIUS
3.1. Dinámica Longitudinal3.1.1 Derivadas de Estabilidad Adimensionales
CLα 5.2028 CDα 0.0831 CMα -0.7481
CLu 0 CDu 0 CMu 0
CLq 8.6409 CDδe 3·10-4 CMα˙ -7.65
CLδe 1.337 CLα˙ 1.73 CMδe -1.0633
3.1.2 Modo Corto Periodo y Fugoide
Corto Periodo Fugoideωn[s-1] 3.8180 0.1145ξ[kg/s] 1.0118 0.1033
SIRIUS
3.2 Dinámica Lateral-Direccional3.2.1 Derivadas de Estabilidad
CYδa 0 CYr 0.1967 CYp 0.0371
CLδa 0.2765 CLr 0.1049 CLp -0.4007
CNδa -0.0231 CNr -0.1019 CNp 0.0842
3.2.2 Modo Balanceo Holandés, Espiral y Roll
ωndr 2.484s-1 ξdr 0.1305kg/s
Sspiral -0.2834s-1 Ts 0.2834s
Sroll -5.1524s-1 Ts 0.1941s
SIRIUS
4.1 Criterios de Estabilidad
• Forward speed stability: -CDu = 0<0• Side Speed Stability: CYβ = -03185<0• Vertical Speed Stability: CLα = 5.2028>0• Angle of Attack Stability: CMα = -0.7481<0• Angle of Sideslip Stability: CNβ = 0.0749 >0• Roll Rate Stability: CLp = -0.4007<0• Pitch Rate Stability: CMq = -10.31<0• Forward Speed on Pitch Moment CMu = 0>0• Sideslip on Rolling Moment CLβ = -0.1470<0• Yaw Rate Stability CNr = -0.1019<0• Yβ · Nr – Nβ · Yr = 7.49 > 0
SIRIUS
4.2. Normativa
• Fugoide ξph = 0.1033
• Corto Periodo ξsp = 1.0118
•Balanceo Holandés ξdr = 0.1305
SIRIUS
1.- CARACTERÍSTICAS DE LA PLANTA MOTORA
2.- CURVAS DE ACTUACIONES
3.- POTENCIA REQUERIDA vs POTENCIA DISPONIBLE
4.- CARACTERÍSTICAS DE LOS SEGMENTOS DE VUELO
5.- CONSUMO DE COMBUSTIBLE
6.- ENVOLVENTE DE VUELO
7.- DIAGRAMA CARGA DE PAGO - ALCANCE
SIRIUS
MODELOS DE POTENCIA Y CONSUMO DE COMBUSTIBLE
• La posición de la palanca y la velocidad de giro del motor en cada segmento de vuelo serán tales que se proporcione la potencia necesaria para cumplir las condiciones de velocidad especificadas.
• HéliceDe paso variableTres palas con perfil Clark YDiámetro = 1.73 m
ηP máximo
SIRIUS
DIAGRAMA EMPUJE/PESO VS CARGA ALAR
0 500 1000 1500 2000 2500 30000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Wto/S (Pa)
Tsl/W
0
max
200670 600 8.785
WPa W kg S m
S
Tsl/W0 = 0.43
0 1000 2000 30000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Wto/S (Pa)
Tsl/W
0
crucero
dirty stall
despegue
subida
viraje a 5g
maxima autonomia
maxima carga de potencia
ELECCIÓN
SIRIUS
DIAGRAMA EMPUJE/PESO VS CARGA ALAR
0 500 1000 1500 2000 2500 30000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Wto/S (Pa)
Tsl/W
0
660 665 670 675 680
0.415
0.42
0.425
0.43
0.435
Wto/S (Pa)
Tsl/W
0
SIRIUS
• POTENCIA
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10x 10
4
velocidad (m/s)
Pote
ncia
(W
)
nivel del mar
1000 m
2000 m
3000 m
4000 m
SIRIUS
• EMPUJE
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
velocidad (m/s)
Em
puje
(N
)
0 m
1000 m
2000 m
3000 m
4000 m
SIRIUS
• CONSUMO ESPECÍFICO
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1
2
x 10-4
Velocidad (m/s)
Consum
o e
specíf
ico (
N/s
)/N
0 m
1000 m
2000 m
3000 m
4000 m
SIRIUS
• CRUCERO
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10x 10
4
V(m/s)
Pot
enci
a (W
)
Potencia requerida & potencia disponible en crucero
SIRIUS
• CRUCERO: velocidad máxima
Régimen de
motorPotencia
Velocidad
máxima
5500 rpm
(δt=1)54.13 hp
287.49 km/h
(79.86 m/s)
5800 rpm
(δt=1)64.83 hp
303.47 km/h
(84.30 m/s)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10x 10
4
V(m/s)
Pote
ncia
(W
)
Potencia requerida en crucero
Potencia disponible a 5800 rpm
Potencia disponible a 5500 rpm
SIRIUS
• CRUCERO: techo máximo
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10x 10
4
velocidad (m/s)
Pote
ncia
(W
)
Diagrama de potencias para calcular el techo máximo
h = 0 m
h = 2500 m
h = 5000 m
h = 7500 m
h = 10895 m
TECHO MAXIMO = 10895 m
SIRIUS
• CRUCERO: velocidad de máxima autonomía
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10x 10
4
V (m/s)
Pote
ncia
(N
)
Potencia necesaria
Vmaxautonomia = 37.98 m/s
Vstallclean = 25.21 m/s
SIRIUS
• CRUCERO: velocidad de máximo alcance
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
V (m/s)
Em
puje
(N
)
Potencia necesaria
Vmaxalcance = 42.83 m/s
Vstallclean = 25.21 m/s
SIRIUS
• SUBIDA
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10x 10
4
V(m/s)
Pote
ncia
(W
)
Potencia requerida & potencia disponible en subida
subida de 0 a 5000 ftsubida de 5000 a 10000 ft
Tramo Velocidad Palanca RPM
Subida 1 148 km/h
(41.11 m/s)0.6873 4711
Subida 2 203 km/h
(56.39 m/s)0.9966 5490
SIRIUS
• ESPERAS
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5x 10
4
V(m/s)
Pote
ncia
(W
)
Potencia requerida & potencia disponible en espera
espera a 5000 ftespera a 1500 ft
Tramo Velocidad Palanca RPM
Espera 1 185 km/h
(51.39 m/s)0.9198 2000
Espera 2185 km/h
(51.39 m/s)1.0231 2000
SIRIUS
• RESTO DE LOS TRAMOS
Utilizan regímenes predeterminados del motor:
Segmento Régimen Palanca RPM
Despegue Máxima potencia 1.15 5800
Descensos Ralentí 0.35 1400
Aterrizaje Ralentí 0.35 1400
SIRIUS
DESPEGUE
CALENTAMIENTO Y TAXI 8 minutos en ralentí
RODADURA Vfinal = 97.79 km/h
Srodadura = 144.29 m
trodadura = 9.3375 seg
ROTACIÓN Srotacion = 24.899 m
TRANSICIÓN Vtransicion = 93.71 m
γclimb = 16.73º
Stransicion = 99.43 m
SIRIUS
SUBIDA: γclimb = 0.09, 15.24m – 3048m (10000 ft)
TRAMO 1 (hasta 5000 ft) Vsub1 = 148 km/h
tsub1 = 412.44 s
Ssub1 = 16.89 km
TRAMO 2 (hasta 10000 ft) Vsub2 = 203 km/h
tsub2 = 300.7 s
Ssub2 = 16.89 km
SIRIUS
SUBIDA:
0 10 20 30 40 50 60 700
1
2
3
4
5
6
7
8
9
V (m/s)
Velo
cid
ad v
ert
ical (m
/s)
Velocidad vertical
Angulo de subida optimo
Velocidad de entrada en perdida en limpio
Velocidad vertical máxima
6.75 m/s
Ángulo de subida máximo
18.73o
Ángulo de subida óptimo
14.25o
SIRIUS
CRUCERO:
260 / 1200 4.62crucero cruceroV km h R km t h
Alcance máximo = 3359.61 km (154.19 km/h)
SIRIUS
DESCENSO 1: de 10000 a 5000 ft
Velocidad de descenso mínima = 2.2731m/s (104.93 km/h)
AUTONOMÍA MÁXIMA
Ángulo de descenso mínimo = 3.87o
(138.1 km/h)ALCANCE MÁXIMO
1 1 1138.10 / 22.53 588.68descenso descenso descensoV km h S km t s
SIRIUS
ESPERA 1: 5000 ft
Velocidad de máxima autonomía
Espera de 10 min. a 185 km/h
Emax = 4h 24min=116.74 km/h
Radio mínimo de giro = 21.88 m
SIRIUS
DESCENSO 2: de 5000 a 1500 ft
Velocidad de descenso mínima = 2.1302m/s (98.34 km/h)
AUTONOMÍA MÁXIMA
Ángulo de descenso mínimo = 3.87o
(129.42 km/h)ALCANCE MÁXIMO
2 2 2129.42 / 15.77 439.72descenso descenso descensoV km h S km t s
SIRIUS
ESPERA 2: 1500 ft
Velocidad de máxima autonomía
Espera de 5 min. a 185 km/h
Emax = 5h 14min=110.68 km/h
Radio mínimo de giro = 19.67 m
SIRIUS
DESCENSO 3: de 1500 ft a nivel del mar
Velocidad de descenso mínima = 2.0524m/s (94.75 km/h)
AUTONOMÍA MÁXIMA
Ángulo de descenso mínimo = 3.87o
(124.69 km/h)ALCANCE MÁXIMO
3 1 1124.69 / 6.76 195.59descenso descenso descensoV km h S km t s
SIRIUS
ATERRIZAJE
APROXIMACIÓN V = 105.93 km/h
γdescenso= 1.82o
tdescenso= 16.06 seg
FLARE Vflare= 100.23 km/h
Sflare= 12.58 m
tflare= 0.45 seg
ROTACIÓN LIBRE Srotacion = 26.03 m
ROTACIÓN EN FRENADO Sfrenado = 137.66 m
trodadura= 6.35 seg
SIRIUS
Segmento Consumo total (kg)
Despegue 0.1341
Subida 3.0968
Crucero 68.5536
Descenso 1 0.0542
Espera 1 0.8595
Descenso 2 0.0405
Espera 2 0.4780
Descenso 3 0.0180
Aterrizaje 0.0022
TOTAL 73.6328
Wo=587.22 kg
SIRIUS
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
-2
-1
0
1
2
3
4
5
KEAS
facto
r de c
arg
a
VD
Vc
VA
VgVsneg
Vs
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