teoría dea

Diseo Estructural de Aviones

Apuntes curso 2007 2008

Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Aeronuticos

Ricardo Snchez Medina

Diseo Estructural de aviones Apuntes curso 2007-2008

2

TEMA 2 CERTIFICACIN DE AVIONES ....................................................................................................... 6

1) INTRODUCCIN ................................................................................................................................ 6

2) CONCEPTO DE NORMA Y MTODO RECOMENDADO .................................................................................. 6

3) AUTORIDADES COMPETENTES EN MATERIA DE AERONAVEGABILIDAD ............................................................. 7

- JAA JAR ................................................................................................................................. 7 Funcionamiento y filosofa de la JAA ................................................................................................................... 8 Actividades de la JAA ............................................................................................................................................ 8

- EASA: ....................................................................................................................................... 9 Objetivos de EASA ................................................................................................................................................ 9

- Legislacin Americana FAA FAR ............................................................................................ 9 Documentacin complementaria a las FAR....................................................................................................... 10

4) TIPOS DE CERTIFICADOS ................................................................................................................... 11

- CERTIFICACIN DE TIPO ......................................................................................................... 11 a) Organizaciones de Diseo Aprobadas (solo JAA y EASA) ................................................................... 11 b) Cambios en el certificado de tipo ....................................................................................................... 11 c) Suplemento a un certificado de tipo .................................................................................................. 12

- CERTIFICADO DE PRODUCCIN .............................................................................................. 12 a) Produccin bajo JAA y EASA ................................................................................................................ 12 b) Produccin bajo FAA ........................................................................................................................... 12

- CERTIFICADO DE AERONAVEGABILIDAD................................................................................. 12 a) Certificado de Aeronavegabilidad (JAR 21) ........................................................................................ 13 b) Certificado de Aeronavegabilidad (EASA parte 21) ............................................................................ 13 c) Certificado de Aeronavegabilidad (FAR 21) ........................................................................................ 13

TEMA 3 Y 4 NORMAS DE VUELO. ACTUACIONES, CUALIDADES DE VUELO ............................................ 14

1) INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 14

2) OACI. ANEXOS 6 Y 8 ...................................................................................................................... 14

- Anexo 6. Operacin de aeronaves .......................................................................................... 14

- Anexo 8. Aeronavegabilidad .................................................................................................. 14

3) VELOCIDADES VERDADERAS, EQUIVALENTES Y CALIBRADAS ....................................................................... 15

- Velocidad Verdadera (TAS) .................................................................................................... 15

- Velocidad equivalente (EAS)................................................................................................... 15

- Velocidad Calibrada (CAS) ...................................................................................................... 15

4) SUBPARTE B: NORMAS DE VUELO ....................................................................................................... 16

- ndice ..................................................................................................................................... 16

- Definicin (actual) de la velocidad de entrada en prdida (Vs) ................................................ 16

- 25.20 General ........................................................................................................................ 17

- Actuaciones ........................................................................................................................... 17

- Controlabilidad y maniobrabilidad ......................................................................................... 18

- Equilibrado ............................................................................................................................ 19

- Estabilidad ............................................................................................................................. 19

- Entrada en prdida ................................................................................................................ 20

- Caractersticas del manejo en tierra ....................................................................................... 20

- Requisitos miscelneos de vuelo ............................................................................................ 21

TEMA 5 INTRODUCCIN A LAS NORMAS DE CLCULO ESTRUCTURAL .................................................. 22

1) INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 22

2) CARGAS........................................................................................................................................ 22

3) FACTOR DE SEGURIDAD .................................................................................................................... 23

4) REQUISITOS DE RESISTENCIA Y DEFORMACIN ........................................................................................ 23

5) PRUEBA DE CUMPLIMIENTO .............................................................................................................. 24


3

TEMA 6 CARGAS DE VUELO. MANIOBRAS SIMTRICAS ......................................................................... 25

1) INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 25

2) CARGAS DE VUELO GENERALES ........................................................................................................... 25

3) ENVOLVENTE DE MANIOBRA .............................................................................................................. 25

- Envolvente de maniobra ........................................................................................................ 25

- Velocidades de proyecto ........................................................................................................ 26 a) Velocidad de crucero de proyecto, VC ................................................................................................ 26 b) Velocidad de picado de proyecto, VD.................................................................................................. 26 c) Velocidad de maniobra de proyecto, VA ............................................................................................. 27

- Factores de carga lmite......................................................................................................... 28

4) ENVOLVENTE DE MANIOBRA CON FLAPS ............................................................................................... 29 a) Velocidad de proyecto con flaps, VF: .................................................................................................. 29

- Envolvente de maniobra con flaps ......................................................................................... 30

- Envolvente de maniobras Total .............................................................................................. 30

5) MANIOBRAS SIMTRICAS .................................................................................................................. 31

- Maniobras sin aceleracin de cabeceo ................................................................................... 31

- Maniobras con aceleracin de cabeceo.................................................................................. 32 a) Deflexin mxima del mando de cabeceo.......................................................................................... 32 b) Deflexin especfica o maniobra contrarrestada ............................................................................... 32

- Fuerzas y momentos .............................................................................................................. 32

TEMA 7 Y 8 CARGAS DE RFAGAS. FACTOR DE ATENUACIN DE RFAGAS .......................................... 34

1) INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 34

2) MODELOS PARA EL CLCULO DE RFAGAS ............................................................................................. 34

- Modelo determinista directo.................................................................................................. 34

- Modelo Probabilstico Continuo ............................................................................................. 35

- Mejora del modelo discreto ................................................................................................... 35

- Puesta al da de la representacin estadstica atmosfrica .................................................... 36

- Misin del avin .................................................................................................................... 36

3) FACTOR DE ATENUACIN DE RFAGAS ................................................................................................. 36

- Factor de atenuacin de rfagas............................................................................................ 37 a) Efecto del movimiento vertical (Lg) ..................................................................................................... 37 b) Efecto de la rfaga ............................................................................................................................... 38

4) ENVOLVENTE DE RFAGAS ................................................................................................................ 39

5) VELOCIDAD PARA MXIMA INTENSIDAD DE RFAGAS ............................................................................... 41

6) CARGAS DE RFAGAS Y TURBULENCIAS ................................................................................................. 41

7) DISPOSITIVOS HIPERSUSTENTADORES................................................................................................... 42

TEMA 9 CARGAS DE VUELO. MANIOBRAS ASIMTRICAS ....................................................................... 43

1) INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 43

2) CONDICIONES DE BALANCE ................................................................................................................ 43

- Maniobras ............................................................................................................................. 43

- Rfagas asimtricas ............................................................................................................... 43

3) CONDICIONES DE GUIADA ............................................................................................................... 44

TEMA 10 TREN DE ATERRIZAJE .............................................................................................................. 45

1) INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 45

- Nomenclatura ........................................................................................................................ 45

2) NEUMTICO .................................................................................................................................. 45

3) AMORTIGUADOR ............................................................................................................................ 46


4

- Cilindro .................................................................................................................................. 46

- mbolo .................................................................................................................................. 47

4) CONJUNTO NEUMTICO + AMORTIGUADOR ......................................................................................... 49

5) DIMENSIONADO DEL SISTEMA ............................................................................................................ 50

TEMA 11 CARGAS EN TIERRA ................................................................................................................. 52

1) INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 52

- Casos de cargas en tierra considerados en las normas ........................................................... 52

2) ATERRIZAJE ................................................................................................................................... 52

- Aterrizaje nivelado ................................................................................................................. 52

- Aterrizaje con cola baja ......................................................................................................... 52

- Aterrizaje sobre dos puntos ................................................................................................... 53

- Aterrizaje sobre tres puntos ................................................................................................... 53

- Aterrizaje sobre una pata ...................................................................................................... 53

- Aterrizaje con rebote ............................................................................................................. 53

- Aterrizaje con carga lateral .................................................................................................... 53

- Aterrizaje de emergencia ....................................................................................................... 53

- Aterrizaje con MTOW ............................................................................................................ 54

- Aterrizaje con MLW ............................................................................................................... 54

3) OTROS CASOS DE CARGAS ................................................................................................................. 54

- Rodadura ............................................................................................................................... 54

- Rodadura frenada.................................................................................................................. 54

- Frenada hacia atrs ............................................................................................................... 54

- Giro ....................................................................................................................................... 54

- Pivotameinto ......................................................................................................................... 54

- Remolcado............................................................................................................................. 54

- Levantamiento....................................................................................................................... 55

- Amarrado .............................................................................................................................. 55

- Cargas en patas mltiples ...................................................................................................... 55

4) ENFOQUE GENERAL DE TODOS LOS CASOS DE ATERRIZAJE ......................................................................... 55

5) ATERRIZAJE SOBRE UNA PATA ............................................................................................................ 56

- Aterrizaje sobre dos patas ..................................................................................................... 56

- Aterrizaje sobre una pata ...................................................................................................... 56

TEMA 12 EVALUACIN DE FATIGA Y TOLERANCIA AL DAO ................................................................. 59

1) INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 59

- Fases y actividades del programa de integridad estructural ................................................... 59

2) EVALUACIN DE FATIGA ................................................................................................................... 60

- Consideraciones generales ..................................................................................................... 60

- Curvas S/N o diagrama de Whler: ........................................................................................ 60

- Diagrama de Goodman.......................................................................................................... 61

3) COMBINACIN DE CICLOS ................................................................................................................. 61

4) CRECIMIENTO DE GRIETAS ................................................................................................................. 62

- Factor de intensidad de esfuerzos .......................................................................................... 63

- Clculo de la vida de un elemento estructural ........................................................................ 64

- Fenmeno de retardo de crecimiento de grietas .................................................................... 64

5) TOLERANCIA AL DAO ...................................................................................................................... 65

- Consideraciones generales ..................................................................................................... 65

6) RESISTENCIA RESIDUAL ..................................................................................................................... 66

7) DAO DE ORIGEN DISCRETO .............................................................................................................. 67


5


6

Tema 2 Certificacin de Aviones

1) Introduccin

La evolucin de la aviacin en estos 100 aos ha sido debida al desarrollo de las

tcnicas de seguridad y a la regularidad.

Los primeros en dar normas de diseo y certificacin fueron los ejrcitos, de esta

manera fue mejorando tanto la seguridad como la fiabilidad, esto provoc la mejora de

la regularidad y el paso de militar a civil del medio areo.

La certificacin de las aeronaves ser el conjunto de tareas que permita la

aeronavegabilidad de una aeronave con una seguridad dada.

Aeronavegabilidad Cualidad de un aparato para volar (Definicin de la RAE)

Si se atiene a su certificacin de tipo y si no supone

desgaste y est listo para volar (FAA)

Certificado de tipo Certificado que dice que el avin cumple las normas de

aeronavegabilidad del pas certificador. El certificado es

dado al proyecto que asegura que las unidades construidas

pasarn las pruebas de aeronavegabilidad.

Un avin es aeronavegable si se atiene a su certificado de tipo y adems no presenta

desgaste y est listo para operar

2) Concepto de Norma y Mtodo Recomendado

Del tratado de Chicago se obtiene la definicin del concepto de norma y de mtodo

recomendado para que los cdigos se estructuren en normas y mtodos recomendados

Norma:

Toda especificacin de caractersticas fsicas, configuracin, materiales, performances,

personal o procedimiento, cuya aplicacin uniforme se considera necesaria para la

seguridad o regularidad de la navegacin area internacional a la cual se ajustarn los

Estados contratantes.

Mtodos Recomendados:

Toda especificacin de caractersticas fsicas, configuracin, materiales, performances,

personal o procedimiento, cuya aplicacin uniforme se considera conveniente por

razones de seguridad, regularidad o eficiencia de la navegacin area internacional y a

la cual de acuerdo con el Convenio, tratarn de ajustarse los Estados contratantes.

SHHsituacin de imposible cumplimiento: es obligatorio notificarlo al Consejo

SHH

SHH

SHH

SHHse publican por separado -> no estn con el reglamento


7

Los mtodos recomendados, dependiendo de la autoridad aplicante se denominan:

FAA Advisory Circular (mtodos recomendados), son una serie de circulares que intentan tener que ver con el requisito al que se deben

JAA AMJ (advisory materian Joint) ACJ (advisory circular Joint), hacen una unin con la norma y el material recomendado, llamndose de la misma

forma y publicndose conjuntamente

EASA AMC & GM (aceptable means of compliance and guide material), material gua de la norma a la que se deben

Existen tres fuentes de cambios de normas:

i. Innovacin tecnolgica

ii. Comisiones de investigacin de accidentes

iii. Opinin pblica (cuestiones medioambientales, ruido, ect)

3) Autoridades competentes en materia de aeronavegabilidad

FAA Federal Aviation administration (EEUU)

JAA Joint Aviation Authority (EU)

EASA Eurpean Aviation Safety Agency (EU)

DEAC Direccin general de aviacin Civil (Espaa)

DGAC (Fracia)

LBA Servicio general de aviacin (Alemania)

CAA Civil Aviation Authority (Inglaterra)

EASA es independiente del parlamento europeo y tiene la competencia de la seguridad

aerea en todos los pases europeos. A nivel ejecutivo EASA a relegado a JAA

FAA FAR (Federal aviation Regulation)

JAA JAR (Joint Airworthiness Requirements)

EASA CS (Certification Specification)

- JAA JAR

Necesidad de crear procesos de certificacin de aviones de consorcios europeos

comunes sin tener que certificar el mismo avin separadamente en cada pas

Acuerdos para el desarrollo y aceptacin de los Requisitos Conjuntos de

Aeronavegabilidad (1979)


8

Firmado por 13 direcciones de aviacin civil de estados europeos que dan lugar a los

primeros cdigos JAR:

JAR 25 (Aviones de transporte) JAR E (motores) JAR P (Hlices) JAR 22 (Planeadores)

Memorando de entendimiento sobre futuros procedimientos de Aeronavegabilidad

(1987). Realizacin simultnea y en conjunto de los certificados de tipo, los requisitos

son iguales en todos los pases

Acuerdo de Chipre (1990). Desarrollo, aceptacin, implementacin de requisitos JAR

Reglamento 3922/91 del consejo de las Comunidades Europeas. Obligatorio a partir

de 1992, Obligatoriedad de la adhesin de los acuerdos de JAA y las JAR como cdigos

nicos en los pases miembros de la UE

Funcionamiento y filosofa de la JAA

i. Se estructura como organismo asociado a la CEAC (Comisin Europea de

Aviacin Civil)

ii. El proceso legal de comprobacin del cumplimiento de cada solicitante respecto

a las JAR y la expedicin de certificados lo lleva a cabo cada autoridad nacional

en nombre de la JAA

iii. Existe una comprobacin peridica y auditoras que comprueban que cada pas

cumple los requisitos y los procedimientos elaborados por la JAA para la

implementacin del cdigo correspondiente.

Actividades de la JAA

Actualmente la JAA ha pasado a ser JAAT (transition), las actividades que desempea

son:

i. Certificacin: Desarrolla certificados (JAR 21) y acuerdos bilaterales JAA/FAA

ii. Mantenimiento

JAR-145 (Organizaciones de mantenimiento) JAR-66 (personal certificador) JAR-147 (Organizaciones de entrenamiento en mantenimiento)

iii. Operaciones

Aplicacin y desarrollo de JAR-OPS Aplicacin y desarrollo de JAR-STO Aplicacin de armonizacin con FAA

iv. Licencias


9

v. Programa de seguridad para reducir accidentes

- EASA:

La Agencia Europea de Seguridad Area tiene carcter ejecutivo, es una autoridad

competente en:

Certificacin de aviones Mantenimiento de aviones Operaciones Licencias del personal involucrado en estas reas

Es decir, toma los objetivos y funciones de la JAA y los ampla.

Objetivos de EASA

i. Establecer y mantener un nivel elevado y uniforme de seguridad en la aviacin

europea

ii. Garantizar un nivel elevado y uniforme de la proteccin medioambiental

iii. Facilitar la libre circulacin de personas y servicios

iv. Fomentar la rentabilidad de los procesos de reglamentacin y certificacin y

evitar duplicidades a nivel nacional e internacional

La diferencia principal con la JAA es que EASA es la autoridad nica con capacidad

legal de tomar decisiones que sean efectivas en los pases miembros de la UE. Coexiste

con la JAA al tener menos pases miembros que la UE que los firmantes de la JAA.

EASA genera documentos como material gua, Certifications Specificatiosn (CS),

apareciendo documentos para cada cdigo tales como:

NPA Avisos de cambios de cdigo CRP documentos de respuestas a los comentarios de cambio

- Legislacin Americana FAA FAR

Cdigo de Regulaciones Federales (CFR): Tiene que ver todo aquello que refiera al

estado americano (el presidente, los presupuestos, ect)

Se regulan en Ttulos, siendo el Ttulo 14 el correspondiente a Aeronutica y Espacio.

En el CFR hay saltos en la numeracin para que se rellenen con regulaciones futuras.

Dentro del Ttulo 14 los primeros 200 captulos son los relacionados con la FAA y DOT

(Department of Transportation).

En las FAR las partes de certificacin de liciencias, as como la parte de mantenimiento

aparecen como partes, mientras que en europa aparecen como regulacin aparte

SHH

SHH

SHH

SHHwww.easa.europa.eu

SHHcada reglamento: un conjunto de artculos + un conjunto de anexos. -> anexos forman parte del reglamento -> son de obligado cumplimiento

SHH

SHH

SHH


10

Documentacin complementaria a las FAR

Advisory Circular: Son documentos sueltos (circulares), cada una con su numeracin que hacen referencia a algn requisito de las FAR. Tiene el mismo

carcter que en Europa, algunos son mtodos aceptados de cumplimiento

(material gua) y otros son de obligado cumplimiento.

Airworthiness Directives (AD, Directivas de Aeronavegabilidad): Regulaciones promulgadas por la autoridad, encaminadas para corregir una condicin insegura

de un producto. Ningn operador podr operar ningn producto sobre el que

recaiga una AD. Los propietarios de los productos certificados estn obligados a

mantener el cumplimiento de las AD en los productos.

Una AD incluye:

i. Descripcin de una condicin insegura (o conjunto completo o una parte

o serie)

ii. Producto al que se aplica

iii. La accin correctora requerida o lmite operativo o ambos

iv. Un plazo para el cumplimiento

v. Donde obtener informacin adicional

vi. Informacin sobre mtodos alternativos para el cumplimiento de la AD

Existe un tipo especial de AD, que es la Emergency Airworthiness directive que se

promulga cuando la accin correctora requiere una accin inmediata.

En Europa el concepto es el mismo y las emite la autoridad, solo que la JAA no las

emita, sino que eran los estados. Hoy en da EASA tiene el poder ejecutivo para

emitirlas.

TSO (Technicals standard Orders): Son un estndar mnimo de caractersticas o actividades aplicadas a equipos (no a aeronaves), materiales, procesos y

aplicaciones especificadas utilizadoas en aeronaves civiles. Fueron creadas para

delegar confianza del controlador al propio fabricante, mediante la aplicacin de

estndares de calidad.

Las C TSO son las certificaciones mnimas para que un equipo pueda

instalarse en una aeronave certificada. Cualquier equipo est ligado al

cumplimiento de una CSO (en EEUU) o a una ESO (en Europa).


11

4) Tipos de Certificados

En la parte 23 se introducen:

Categora normal (aviacin general (< 9 pax), MTOW


12

c) Suplemento a un certificado de tipo

Cualquier persona/organizacin que altere el producto introduciendo un cambio mayor,

pero no suficiente para requerir un nuevo Certificado de Tipo, deber de solicitar un

suplemento

- CERTIFICADO DE PRODUCCIN

Se otorga a una fbrica o instalacin fabril. Implica que las piezas fabricadas pueden ir

directamente instaladas en las aeronaves cuyo proyecto tiene el Certificado de Tipo.

Se exige un control de calidad estricto y una cadena de responsabilidad perfectamente

identificada, incluso con los subcontratistas.

a) Produccin bajo JAA y EASA

Segn dice la parte 21, hay 2 operaciones:

Organismos de Produccin Aprobada (Subparte G) Produccin sin Organizacin de produccin Aprobada (Subparte F)

El primer caso es similar a la Organizacin de Diseo Aprobada, en tanto que el

segundo es apropiado a organizaciones de fabricacin para las cuales no es aplicable la

subparte G (por ejemplo fabricacin de unidades limitadas, ect). En el primer caso

hay que demostrar una serie de caractersticas en cuanto a calidad y organizacin, pero a

cambio se obtienen privilegios como la obtencin inmediata de Certificacin de

Aeronavegabilidad. En el 2 caso habr vigilancia para poder lograr los mismos fines y

no se tienen privilegios

El 1er caso es una forma de que la administracin otorga confianza y responsabilidad al

fabricante

b) Produccin bajo FAA

Parte 21, hay 2 opciones

Certificado de Produccin (Subparte G) Produccin bajo Certificado de Tipo (Subparte F)

Conceptualmente anloga a la produccin bajo JAA, pero cada administracin impone

sus requisitos de una forma detallada diferente

- CERTIFICADO DE AERONAVEGABILIDAD

Se otorga a cada aeronave o motor fabricado conforme a las normas prescritas y ya listo

para el vuelo. Estos certificados deben de ser renovados peridicamente y pueden ser

retirados por las autoridades competentes para someter a las aeronaves a alguna revisin

excepcional.


13

Se clasifican segn las autoridades en distintos tipos, son para cada avin, asegurando

que cumple los requisitos del Certificado de Tipo.

a) Certificado de Aeronavegabilidad (JAR 21)

1. Certificado de Aeronavegabilidad estndar

2. Certificado para exportaciones

b) Certificado de Aeronavegabilidad (EASA parte 21)

1. Certificado de Aeronavegabilidad: tanto para nuevos como para usados

(estos dependen de la procedencia del producto)

2. Certificado de Aeronavegabilidad restringido: Los que no han sido

construidos bajo certificados de tipo, no cumplen 21A.21

3. Permisos para vuelos: Aeronaves que no cumplen, pero que necesitan

hacer un vuelo para ensayos o para llegar a un puesto de mantenimiento,

ect

c) Certificado de Aeronavegabilidad (FAR 21)

1. Certificado de Aeronavegabilidad estndar: Emitidos con categora

normal, utility, acrobtico o commuter

2. Certificado de Aeronavegabilidad especiales: hay muchos tipos

diferentes

3. Permisos para vuelos

4. Certificado de Aeronavegabilidad provisionales: Slo vlidos durante un

corto periodo de tiempo

5. Certificado para exportacin


14

Tema 3 y 4 Normas de vuelo. Actuaciones, cualidades de vuelo

1) Introduccin

Las normas de aeronavegabilidad en lo referente a las actuaciones, establece unos

requisitos mnimos que deben de ser demostrados as como imponen la determinacin

de ciertas magnitudes. En ambos casos se debern realizar los clculos correspondientes

y los ensayos en vuelo precisos

2) OACI. Anexos 6 y 8

OACI es una organizacin que vela por la seguridad de la navegacin area. Las

recomendaciones de OACI se convierten en normas cuando los estados las toman como

normas

- Anexo 6. Operacin de aeronaves

En el anexo 6 de OACI marca las condiciones bajo las cuales son aplicables los

requisitos: pesos, densidad,

Las limitaciones de pesos mximo y mnimo tienen que ver con

La masa del avin al despegue no sobrepasar en caso de fallo del motor ms crtico, la que permita realizar:

En despegue interrumpir el despegue en la distancia disponible o

continuar el despegue hasta aterrizar en un aerdromo

En ruta, continuar el vuelo hasta poder aterrizar en un aerdromo

En aterrizaje, aterrizar en un aerdromo

No sobrepasar la establecida en el manual de vuelo para los parmetros de utilizacin (altitud, temperatura, humedad, viento, )

La mxima que permita cumplir con la normativa de ruido, salvo excepciones

- Anexo 8. Aeronavegabilidad

Captulo 2 : Vuelo (Anlogo a la subparte B)

Performance mnima: Condiciones severas de las actuaciones (despegue, aterrizaje,

crucero)

Cualidades de vuelo: manejabilidad, caractersticas, compensacin de estabilidad, de

entrada en prdida, flameo, vibraciones, margen de despegue con fallo de motor,

Captulo 3 : Estructura (Anlogo a la subparte C)


15

3) Velocidades Verdaderas, equivalentes y calibradas

- Velocidad Verdadera (TAS)

Velocidad referida a las condiciones reales de vuelo

- Velocidad equivalente (EAS)

Velocidad que da la misma presin dinmica que a nivel del mar. Se usa en la subparte

C

1

2

2 =1

20

2 =

- Velocidad Calibrada (CAS)

Usa la ecuacin de Saint-Venant para el clculo de velocidades o presin, con densidad

a nivel del mar. Se usa en la subparte B

La ecuacin de Saint-Venant siendo pT la presin de remanso y ps la presin esttica al

nivel de vuelo

= 1 + 1

22

1

Operando

2 =2

1

1

1 2 =2

1

1

1

2 =2

1

1

1 =2

1

+

1

1

Finalmente

2 =

2

1

+ 1

1

1

LA velocidad calibrada es la velocidad verdadera usando la presin y la densidad a

nivel del mar

2 =

2

1

00

0+ 1

1

1

A nivel del mar (h=0) las tres velocidades coinciden

La velocidad IAS/RAS (Indicated/read Air Speed) es la velocidad leda en los

instrumentos, est calculada mediante CAS, sumndole los errores del posicionamiento

de la sonda


16

4) Subparte B: Normas de vuelo

- ndice

General: Artculos de carcter general y de aplicaciones a toda la subparte, condiciones generales bajo las cuales se aplicarn los requisitos.

Performances (Actuaciones): Velocidad de prdida. Despegue (anlisis dems detallado que el resto de actuaciones), ascenso, aterrizaje, crucero.

Controlabilidad y maniobrabilidad: Control longitudinal, direccional y lateral. Mnima velocidad de control

Trimado (equilibrado) Estabilidad: estabilidad esttica longitudinal, lateral y direccional. Estabilidad

dinmica.

Entradas en prdidas Caractersticas de manejo en tierra: Estabilidad y control longitudinal,

direccional, en taxi y velocidades de viento

Condiciones miscelneas de vuelo: Vibracin, bataneo, caractersticas de alta velocidad, caractersticas fuera de trimado

- Definicin (actual) de la velocidad de entrada en prdida (Vs)

Vst1-g Velocidad de entrada en prdida a un g

=

1

21

2

=1

22

2 = 12 1 =

En el cdigo se habla de VSR (velocidad de entrada en prdida de referencia, que son la

misma que para 1 g)

La velocidad de entrada en prdida de referencia, VSR es una CAS seleccionada por el

solicitante, nunca ser inferior a Vst1-g, adems:

1

Donde es la velocidad calibrada obtenida cuando el CL corregido con el factor

de carga alcanza por vez primera su valor mximo durante la maniobra. Si la maniobra

est limitada por algn dispositivo que pique abruptamente a un seleccionado,

no ser inferior a la velocidad existente en el momento en que opera el

dispositivo


17

es el factor de carga normal a la trayectoria a =

- 25.20 General

En este artculo se exponen las condiciones bajo las cuales son de aplicacin los

requisitos de la subparte B, tanto desde el punto de vista de las limitaciones de empuje

como de las operaciones que no se van a contemplar en esta subparte

i. 25.21 Prueba de cumplimiento

Cada requerimiento debe ser demostrado para cada apropiada combinacin de peso y

centro de gravedad para:

Ensayos a una aeronave o clculos basados en al menos la misma precisin que daran en los ensayos

Investigacin sistemtica de cada combinacin probable de peso y centro de gravedad

Las caractersticas de controlabilidad, estabilidad, equilibrado y de entrada en prdida deben de ser mostradas para cada altitud esperada en

las operaciones de la aeronave

ii. 25.23 Limites de distribucin de carga

Lmites de la envolvente de pesos centro de gravedad

iii. 25.25 Lmites de pesos

Pesos mximos y mnimos considerados en esta subparte

iv. 25.27 Lmites del centro de gravedad

Necesidad de fijar las posiciones limitantes al centro de gravedad para cada condicin

de operacin

v. Peso vaco y correspondiente centro de gravedad

Forma de determinar el OEW y la posicin de su centro de gravedad

- Actuaciones

i. 25.101 General

ii. 25.103 Velocidad de prdida (defina ms arriba)

iii. 25.105 despegue


18

Artculo de carcter general sobre las condiciones a fijar a la hora de aplicar los

requisitos sobre despegue. Se supondr condiciones que no superen un 50% de viento

de cara y 150% de viento de cola

iv. 25.107 Velocidades de despegue

v. 25.109 Distancia de aceleracin parada

Definicin del trmino de distancia de aceleracin parada tanto para pista seca como

para pista hmeda. Adems se definen los coeficientes de friccin de frenada en pista

hmeda como unos polinomios funcin de la velocidad, para distintas presiones de

inflado y para diversos pavimentos

vi. 25.111 Senda de despegue

vii. 25.117 Subida (general)

viii. 25.121 Subida con un motor inoperativo

Se especifican las condiciones de velocidad, gradiente mnimo y peso para efectuar una

subida con un motor inoperativo en los casos siguientes

Despegue con tren extendido Despegue con tren retrado Fase final del despegue y aproximacin

Se da el ngulo de ascenso de subida en segundo segmento dependiendo del nmero de

motores que tenga el avin

ix. 25.123 Crucero

x. 25.125 Aterrizaje

- Controlabilidad y maniobrabilidad

i. 25.143 General

El avin debe de ser seguro en cuanto a controlabilidad y maniobrabilidad durante todas

las fases de vuelo (despegue, ascenso, crucero, descenso y aterrizaje), as como debe de

ser posible efectuar una suave transicin entre cada condicin de vuelo sin tener unas

habilidades excepcionales de pilotaje, alerta o fuerza y sin peligro de exceder el factor

de carga lmite en ninguna de las operaciones probables.

Se da una tabla que especifica las fuerzas permitidas en los mandos para esfuerzos de

larga y de corta duracin

ii. 25.145 Control longitudinal


19

iii. 25.147 Control lateral y direccional

Control direccional (general): Debe de ser posible, con las alas a nivel, guiar hacia el motor operativo

Control direccional (aviones con cuatro o ms motores) Control lateral (general): Debe de ser posible hacer un giro balanceado

de 20 grados, con y contra el motor inoperativo, desde vuelo estacionario

a una velocidad 30% superior a VSR

Control lateral (aviones con cuatro o ms motores) Control lateral (con todos los motores operativos)

iv. 25.149 Velocidad mnima de control

VMC se define como la velocidad calibrada en la que cuando el motor crtico se hace de

repente inoperativo, es posible mantener en control del avin con ese motor an

inoperativo, y mantener un vuelo recto mantenido con un ngulo de balance de no ms

de 5

VMC no debe de exceder el 30% de la VSR en potencia mxima de despegue, para el

centro de gravedad ms desfavorable, para el avin equilibrado en despegue, para

MTOW a nivel del mar, sin tener en cuenta efecto suelo y para el avin en la

configuracin de despegue ms critica durante la senda de planeo despus del despegue,

exceptuando la zona con el tren extendido

VMCL es el mismo concepto que el anterior pero para aterrizaje. Para aviones con 4

motores o ms la velocidad mnima de control es VMCL-2, teniendo en cuenta el fallo de

un segundo motor.

- Equilibrado

i. 25.161 Equilibrado

Establece cuando se deben de cumplir los requisitos de este artculo

- Estabilidad

i. 25.171 General

El avin debe de ser longitudinalmente, direccionalmente y lateralmente estable para

cualquier condicin que es normal esperar en la vida del avin.

ii. 25.173 Estabilidad esttica longitudinal


20

Un tirn se requiere para obtener y mantener velocidades por debajo de una velocidad

de equilibrado y un empujn se requiere para obtener velocidades superiores a la de

equilibrado

iii. 25.175 Demostracin de la estabilidad esttica longitudinal

iv. 25.177 Estabilidad esttica lateral y direccional

La estabilidad esttica direccional, tendencia a recuperarse de un resbalamiento con el

timn de direccin positivos, debe ser posible a velocidades desde 1.13VSR a superiores

a VFE

v. 25.181 Estabilidad dinmica

Se recogen los criterios muy generales en relacin al modo de corto periodo y al

balanceo holands

- Entrada en prdida

i. 25.201 Demostracin de la prdida

Se recogen condiciones bajo las cuales hay que hacer los ensayos de determinacin de

prdida, as como la maniobra concreta que hay que realizar y los criterios aceptados

para reconocer que el avin ha entrado en prdida.

ii. 25.203 Caractersticas de la prdida

iii. 25.207 Avisos de entrada en prdida

- Caractersticas del manejo en tierra

i. 25.231 Control y estabilidad longitudinal

Se especifica que el avin no tendr tendencia a caerse hacia delante y otras condiciones

relativas al equilibrio longitudinal en maniobras

ii. 25.233 Control y estabilidad direccional

El avin no mostrar tendencia a volcar, bajo viento cruzado a velocidades de 20 nudos

Deben de ser satisfactoriamente controlables sin habilidades de pilotaje excepcionales y

sin usar frenos o potencia de los motores para mantener la condicin de vuelo

iii. 25.235 Condicin de Taxi

iv. 25.237 Velocidades de viento


21

- Requisitos miscelneos de vuelo

i. 25.251 Vibraciones y bataneo

ii. Caractersticas a alta velocidad

iii. Caractersticas fuera de equilibrado


22

Tema 5 Introduccin a las normas de Clculo estructural

1) Introduccin

Pertenece a la subparte C de las normas CS-25, JAR25 y FAR25. A la hora de abordar

la parte de las normas relativa al clculo estructural habr que definir claramente las

cargas a considerar y los factores de seguridad aplicables. Adems de introducir

conceptos fundamentales como la carga lmite y la carga ltima y exponer los requisitos

de resistencia y deformacin que hay que demostrar, as como la manera de hacerlo.

General

Cargas de vuelo

Cargas de superficie de control

Cargas de tierra

Cargas de agua

Condicin de aterrizaje de emergencia

Evaluacin de fatiga

2) Cargas

a) Los requisitos de resistencia se especifican en trminos de cargas lmite y ltima

Cargas lmite: Las cargas mximas previstas en servicio Cargas ltimas: Las cargas lmite multiplicadas por un factor de

seguridad prescrito

El avin x no tiene porque sufrir nunca las cargas lmite, es decir, las cargas

lmite no sern las mximas que se den en la vida del avin. Las cargas lmite se

pueden superar debido a error o por accidente

Las normas nos dan la forma de calcular el factor de carga dependiendo del tipo

de avin

A menos que se diga otra cosa, las cargas de las que se habla en la norma son

cargas lmite.

b) A menos que se diga otra cosa, las cargas especificadas de aire, tierra o agua se

deben de equilibrar con fuerzas de inercia considerando cada elemento de masa

del avin. El peso del avin se considerar tambin fuerza de inercia.

La distribucin de las cargas en los clculos debe de ser la que ms se acerque a

la distribucin real, o bien de la forma ms aproximada conservativa (es decir, el

resultado es peor que el real)

Los mtodos utilizados para determinar las cargas deben ser comprobadas

mediante medidas en vuelo a menos que los mtodos utilizados para determinar

esas condiciones de carga se demuestren vlidos


23

c) Si las deflexiones que experimenta la estructura bajo carga cambiaran de manera

significativa la distribucin de cargas interiores o exteriores, esta redistribucin

debe ser tenida en cuenta.

3) Factor de seguridad

A menos que se diga otra cosa, se debe aplicar un factor de seguridad de 1.5 a las cargas

lmites prescritas que son consideradas cargas externas sobre la estructura.

Cuando una condicin de carga viene dada en trminos de cargas ltimas, no es

necesario aplicar un factor de seguridad a menos que se especifique

4) Requisitos de resistencia y deformacin

a) La estructura debe soportar la carga lmite sin sufrir deformacin permanente

perjudicial (se considerara vlido si no se supera el lmite elstico).

A cualquier carga desde cero hasta la lmite, la deformacin no debe de interferir

con la segura operacin del avin

b) La estructura debe soportar las cargas ltimas durante al menos 3 segundos. Sin

embargo cuando se hace un ensayo dinmico simulando condiciones de cargas

reales, el lmite de 3 segundos no se aplica, durar lo que dure el ensayo.

Los ensayos estticos a carga ltima deben incluir la deformacin ltima. Se

pueden usar mtodos analticos, pero hace falta demostrar que:

No son importantes los efectos de esa deformacin Las deformaciones implicadas deben ser tenidas en cuenta totalmente en

el anlisis

Los mtodos y las suposiciones usadas son suficientes para cubrir los efectos de esas deformaciones

c) Si el fenmeno que consideramos es dinmico y los esfuerzos transitorios son

mayores que los esfuerzos en condiciones estticas hay que tenerlas en cuenta.

(Por ej: en el aterrizaje hay oscilaciones en las alas que el fenmeno puede

acarrear deformaciones mayores o esfuerzos mayores a los estticos)

e) El avin debe ser diseado para aguantar cualquier vibracin y bataneo que

pueda ocurrir en cualquier condicin probable hasta VD, incluidas entrada en

prdida o posibles superaciones del lmite de bataneo.

f) Al menos que se demuestre que es extremadamente importante, el avin debe

ser diseado para resistir cualquier vibracin estructural debida a un fallo, cual

funcionamiento o condiciones adversas en el sistema de control de vuelo.

Estas deben de ser consideradas cargas lmite y deben investigarse a velocidades

superiores a VD.


24

5) Prueba de cumplimiento

a) El cumplimiento con los requisitos de fuerza y deformacin de esta subparte

deben ser mostrados para cada condicin de carga crtica. El anlisis estructural

solo debera ser utilizado si la estructura ser conforme con aquella para la que

la experiencia ha mostrado que este mtodo es vlido.

d) Cuando se utilicen ensayos estticos o dinmicos para demostrar el

cumplimiento de los requerimientos de cargas para estructuras en vuelo, debern

aplicarse a los resultados de los ensayos factores adecuados de correccin del

material, a menos que la estructura, o parte de la misma que est siendo

ensayada tenga propiedades tales que un nmero de elementos contribuye a la

resistencia total de la estructura y el fallo de uno de ellos tenga como resultado

la redistribucin de la carga a travs de caminos alternativos.


25

Tema 6 Cargas de Vuelo. Maniobras Simtricas

1) Introduccin

En esta leccin se define la envolvente de maniobra, sus velocidades y factores de carga

caractersticos, aportando criterios y aclaraciones necesarios para su elaboracin.

Adems se consideran las maniobras previstas por las normas que son maniobras en

equilibrio con aceleracin de cabeceo nula y maniobras con aceleracin de cabeceo para

ciertos movimientos del control de cabeceo.

2) Cargas de vuelo generales

a) Los factores de carga de vuelo representan el cociente entre la componente

aerodinmica normal y el peso. Signo positivo hacia el extrads

b) Hay que demostrar los requisitos de esta subparte (incluyendo compresibilidad)

para todo peso y altura, as como para toda distribucin de carga

c) Se deben de investigar suficientes puntos de la envolvente de diseo para poder

asegurar que se obtiene la carga ms alta para cada elemento de la estructura

d) Las fuerzas significativas que actan sobre el avin, se deben equilibrar de

forma conservativa. Las inercias en equilibrio con los empujes y fuerzas

aerodinmicas, los momentos del empuje y aerodinmicos, los momentos

angulares (cabeceo) en equilibrio con los momentos del empuje y

aerodinmicos, incluyendo los debidos a carga en cola o gndolas

3) Envolvente de maniobra

- Envolvente de maniobra

a) Los requisitos de resistencia para la estructura se deben cumplir para cada

combinacin de velocidad y factor de carga, dentro de los lmites de la

envolvente. As mismo la envolvente sirve para determinar los lmites

estructurales operativos del avin


26

- Velocidades de proyecto

a) Velocidad de crucero de proyecto, VC

1. VC suficientemente mayor que VB para prevenir de incrementos inadvertidos de

velocidad debido a turbulencia atmosfrica severa (VC>VB)

2. + 1.32 .1 Sin embargo VC no necesita ser mayor que la mxima

velocidad de vuelo horizontal a la potencia mxima continua a la altitud

correspondiente (es decir, , )

3. A altitudes donde VD (velocidad de picado de proyecto) se limita por nmero de

Mach VC tambin

En general la velocidad de proyecto VC se selecciona de forma que envuelva a las

velocidades operativas mximas deseadas y ser entonces la velocidad mayor a la cual

se puede operar el avin en vuelo comercial (suele ser la cota superior de las

velocidades mximas de crucero)

b) Velocidad de picado de proyecto, VD

Se debe seleccionar VC tal que

no sea mayor que 0.8

o que el margen

mnimo

y

sea el mayor que los siguientes valores:

1. A partir de cuna condicin de vuelo establecido a VC, hay que realizar una

maniobra de picado durante 20seg. Y con un ngulo de 7,5, y luego realizar un

tirn a factor de carga 1.5g. El incremento de velocidad experimentado en la

maniobra puede ser calculado si se dispone de datos aerodinmicos fiables o

conservativos. La potencia se fija en su valor mximo de crucero (limitada por la

necesaria VM0) y se debe mantener hasta que se inicia el tirn, en cuyo momento

se asume que se reduce la misma y que el piloto utiliza los sistemas

aerodinmicos de frenado

2. Un margen mnimo para prevenir de variaciones atmosfricas (rfagas

horizontales, penetracin en corrientes o frentes fros,), de errores de

instrumento y variaciones en la fabricacin de la clula. Estos factores se

consideran de manera estadstica. El margen no ser inferior de 0.07M salvo que

se demuestre que se puede determinar una menor, mediante anlisis racional de

1 VB es la velocidad para mxima intensidad de rfaga de proyecto. Es la velocidad a la que el avin va a estar sometido a rfagas ms intensas (velocidades bajas). Uref es la velocidad de rfaga de referencia que, a VC vale 17.07 m/s (56ft/s) a nivel del mar y disminuye linealmente con h hasta 13.41 m/s (44ft/s) a 15000ft y decrece con h hasta 7.92 m/s (26 ft/s) a 50000ft


27

cualquier sistema automtico. En cualquier caso este margen nunca ser inferior

a 0.05M

Se aconseja que el margen debido al picado no sea ensayado en vuelo, sino

determinado por anlisis. En realidad se llevarn a cabo ensayos en vuelo incluyendo

cabeceo, balance y guiada de forma que se demuestre que el margen entre VC y VD

0.8

La ecuacin para determinar el cambio de velocidad en un descenso prolongado es:

= sin + +

Donde

= 7.5

= 0

: = : = ( , )

c) Velocidad de maniobra de proyecto, VA

1. 1 , siendo n el factor de carga lmite positivo a VC y VS1 la velocidad

de entrada en prdida en configuracin limpia (Velocidad mnima para n=1)

2. VA y VS se evaluarn para todo peso y altura

3. VA no necesita ser mayor que VC ni que la velocidad a la cual la curva CNmax

intersecta a la lnea de factor de carga lmite positivo de maniobra, es decir

lim (+)


28

Determinacin de las velocidades de vuelo para CNmax :

=1

22 =

Considerando que CNmax=CLmax=cte:

1 = 2

lim (+)

2

La parbola queda

= 2

~lim (+)

Pero se ha demostrado que para ciertas velocidades CNmax deja de ser constante, debido

a problemas aerolsticos, de esta manera, podemos representar el factor de carga frente

al nmero de M, quedndonos una curva parecida a la del CL frente el ngulo de ataque.

= =

(1)

Si como depende del M:

=1

22 , = , = =

=

=1

22

=

1

2

2 = 2

2 =

= 2 =

2

- Factores de carga lmite

a) Salvo limitaciones por CLmax, se va a suponer que el avin est sometido a

maniobras simtricas que resultan en los factores de carga lmite prescritos. Se

tendrn en cuenta las velocidades de cabeceo apropiadas en los tirones y virajes

estacionarios correspondientes

b) El factor de carga lmite positivo de maniobra para cualquier velocidad hasta VD

no ser inferior de 2.1 + 24000

+10000 , salvo que no debe de ser inferior a 2.5 ni

superior a 3.8, siendo W en libras.


29

3.8 2.5

c) El factor de carga lmite negativo de maniobra:

1. No ser inferior a -1 a velocidades hasta Vc

2. Debe variar linealmente con la velocidad del valor a Vc hasta 0 en VD

d) Se utilizarn factores de carga inferiores a los anteriores si el avin tiene

caractersticas que le imposibilitan excederlas en vuelo

4) Envolvente de maniobra con flaps

a) Velocidad de proyecto con flaps, VF:

VF para cada posicin de flaps debe ser suficientemente mayor que la velocidad

operativa recomendada para esa fase de vuelo como para permitir variaciones en el

control de la velocidad y transmisin de una posicin a otra de flap sin que pongamos

en peligro la aeronave

Si se utiliza un dispositivo para posicionar el flap, o se utiliza algn elemento limitador

de la carga, las velocidades y posiciones del flap sern las programadas o permitidas por

el dispositivo

VF no ser menor que:

1.6 VS1 para flaps despegue a MTOW 1.8 VS1 para flaps aproximacin a MLW 1.8 VS1 para flaps aterrizaje a MLW

Las velocidades VF son unas de las ms significativas que afectan al diseo de un avin

comercial. Cuanto mayores son, se requiere ms estructura en las zonas de unin al

cajn de torsin. El propsito de las VF es impedir que el avin entre en prdida si se

retraen los flaps a esa velocidad.


30

- Envolvente de maniobra con flaps

a) Si se van a utilizar flaps durante el despegue, la aproximacin o el aterrizaje, a

las velocidades VF y posiciones de flaps correspondientes, se supondr al avin

sometido a maniobras simtricas (y rfagas). Las cargas lmite correspondientes

son:

Maniobras a factor de carga positivo de 2.0 Rfagas

c) Si se van a utilizar flaps u otros dispositivos hipersustentadores en ruta, y con los

flaps en la posicin adecuada a velocidades hasta la velocidad de diseo elegida

para esas condiciones, se supone que el avin est sometido a maniobras

simtricas y rfagas dentro del rango determinado por las maniobras a factor de

carga lmite positivo

d) El avin debe estar diseado para maniobras a factor de carga 1.5g a MTOW y

con dispositivos hipersustentadores en configuracin aterrizaje

- Envolvente de maniobras Total


31

5) Maniobras Simtricas

- Maniobras sin aceleracin de cabeceo

En maniobras si aceleracin de cabeceo ocurre =2

2= 0

Se hace para todos los puntos de la envolvente de maniobras, la forma de hacerlo es

igual para todos, tomemos como ejemplo el punto C de la envolvente de maniobras

correspondiente a crucero (acelerando hacia arriba con aceleracin (n-1)g)

2

2= = = ( 1)

La sustentacin se reparte entre el ala y el estabilizador horizontal para que el momento

de cabeceo sea nulo. Suponemos una distribucin de sustentacin a lo largo de la

envergadura del ala elptica y una distribucin de masas en el ala

= 1.2

2

2

Donde c es la cuerda, el 1.2 representa que el ala no es maciza ni una cascara, pero est

prxima a una cscara, y Kw dice como se distribuye la masa del ala. Si se conoce el

peso del ala ser muy sencillo calcular el valor de Kw.

Con estos datos se calcula la distribucin de momentos en el ala. Generalmente a

MZFW sale el mayor momento flector en el encastre, pues no aliviamos nada con el

momento negativo que producira el peso de combustible.

Para MTOW dado es ms crtico llevar ms carga de pago que llevar ms combustible

en lo referente a momento flector en el encastre. Para diseo, para un MTOW, elegimos

la configuracin MPL con el FW necesario para obtener el momento flector en el

encastre


32

- Maniobras con aceleracin de cabeceo

El las maniobras con aceleracin de cabeceo se cumple =2

2 0

La norma considera dos casos:

Deflexin mxima del mando de cabeceo Deflexin especfica o maniobra contrarrestada

a) Deflexin mxima del mando de cabeceo

Se supone una deflexin instantnea. Se hace a velocidad VA. Volando con el ain

equilibrado (n=1) se pasa de A1 a A2 dando un tirn en la palanca.

b) Deflexin especfica o maniobra contrarrestada

Se da una ley concreta de deflexin del timn en funcin del tiempo (JAR). Suele ser

una variacin sinusoidal de la deflexin del timn entre , . El tiempo

caracterstico de esta deflexin lo da las normas, es del orden de segundos ( 3seg) y

tiene que ver con el modo de corto periodo (perturbacin en ngulo de ataque desde una

posicin de estabilidad)

Se hace a todas las velocidades desde VA a VD. Lo que exige la norma es que se llegue

hasta el factor de carga lmite positivo correspondiente a la velocidad para la que se est

haciendo

En caso de que as no se llegara al factor de carga que exigen las normas, la variacin de

la deflexin del timn sera manteniendo ms tiempo el timn deflectado hasta alcanzar

ese factor de carga

- Fuerzas y momentos

En la cola aparece una fuerza que produce un momento a encabritar

Fuerzas de inercia angulares que recogemos con el momento de inercia Iy.

= 2

2= 2

2

2=

2

2

Esto es lo mismo que decir que las fuerzas de inercia son proporcionales a la masa del

avin y a su distancia al c.d.g. Estas fuerzas dan un momento de cabeceo a picar que

contrarresta el momento de cabeceo a encabritar de la cola.


33

La ecuacin de momentos queda:

= = 2

2

Ser crtico el momento que se genera en la parte posterior al centro de gravedad Flexin hacia debajo de la parte del avin anterior al centro de gravedad En el ala no se nota casi la variacin, pues el punto CMA est muy prximo al

c.d.g

Conseguimos aproximacin conservativa si al tomar la deflexin e del flap, consideramos a ste como flap simple. As estimamos su incremento de

sustentacin

La aproximacin es conservativa, porque el fenmeno dinmico es menos crtico


34

Tema 7 y 8 Cargas de rfagas. Factor de atenuacin de rfagas

1) Introduccin

Adems de las cargas que aparecen debidas a las maniobras que realiza el avin, hay

que estudiar las cargas debidas a rfagas que se presentan durante el vuelo.

El vuelo de los aviones modernos en la atmsfera turbulenta da lugar a:

Sensaciones desagradables para los pasajeros o dificultades de control para los pilotos (poco seguro)

Sacudidas violentas (muy inseguro)

En general las turbulencias son responsables de un no insignificante nmero de

accidentes areos.

Las rfagas atmosfricas se han utilizado durante aos como criterio para dimensionar

el avin y representan un captulo muy importante dentro de la certificacin del avin.

La evolucin en el diseo de aviones de transporte con alas de gran alargamiento,

estructura muy flexible y extensa envolvente de vuelo, as como el gran esfuerzo

realizado en el diseo estructural para reducir pesos y generalizar leyes de pilotaje han

provocado que se hayan tenido que tener en cuenta ms aspectos en el proceso de

determinacin de cargas por rfagas.

2) Modelos para el clculo de rfagas

- Modelo determinista directo

Arranque en 1934: Concepto de n esttico en un avin rgido sometido a una rfaga

discreta

Criterio de Pratt (1953): para una rfaga cosinuidal de semilongitud de onda 12.5 CMG y aparicin del factor de atenuacin de rfagas relacionndola con

una rfaga instantnea equivalente. Aparece Kg y la conocida frmula de Pratt

para n:

=

2

=0.88

5.3+ factor de atenuacin de rfagas

velocidad mxima que aparece en la rfaga


35

Este modelo considera el ala rgida.

El modelo Quasi-esttico: reemplaza el gradiente de sustentacin L del ala rgida por el que sufre el avin completo.

Este modelo tiene en cuenta los efectos de flexibilidad del avin.

Solucin Quasi-flexible: se aade al modelo el movimiento de cabeceo, principal causa de la atenuacin de la rfaga despus de que el avin ascienda

por el efecto de la misma.

- Modelo Probabilstico Continuo

En 1952 se comienza a tener en cuenta la naturaleza probabilstica de la turbulencia

atmosfrica.

Mtodo de anlisis de la envolvente de diseo: Se calcula la funcin de transferencia del

avin y con ella la densidad espectral de las fuerzas, analizando el perfil de vuelo del

avin y un esquema de turbulencia atmosfrica.

La flexibilidad del avin se tiene en cuenta aumentando el nmero de grados de libertad

del avin.

En cuanto a los avances actuales en este campo:

Gran xito del modelo de turbulencia continua, pero no desplaza al de rfagas discretas:

simplicidad, idea real de cargas sobre el avin, determinacin de las turbulencias

crticas para la estructura, las cuales suelen estar representadas en la realidad como

perturbaciones aisladas ms que como turbulencia continua.

Dos lneas de actuacin:

Definicin de mtodos ms precisos para el clculo de rfagas discretas Enriquecen y actualizan los mtodos ya existentes

- Mejora del modelo discreto

Paso al modelo totalmente flexible calculando la respuesta dinmica del avin ante

rfagas discretas de Pratt y los modos de la estructura

Sintonizacin de la rfaga para encontrar la peor rfaga (variando D) Modelo de

rfaga sintonizada directa. Tambin se relacionan las longitudes de onda con la

velocidad de un modo parecido al espectro de turbulencia de Von Karman (potencia

1/3) mejorando con datos actuales (potencia 1/6)


36

- Puesta al da de la representacin estadstica atmosfrica

Mejora de los bancos de datos aadiendo datos nuevos medidos hoy en da Definicin de intensidades de rfagas para el clculo de cargas lmite

introduciendo hiptesis tales como vida til del avin, velocidad de crucero

media, perfil de vuelo tpico,

- Misin del avin

Intentos por parte de GB de tener en cuenta el modelo discreto junto con el tipo de

misin de diseo y el posible uso comercial

Ejemplo 747: de largo alcance para rutas cortas domsticas de alta densidad. Problemas

relacionados con el vuelo a muy distintas altitudes donde la probabilidad de encontrar

rfagas es muy distinta

En cuanto a las normas, tienen en cuenta:

i. FAR

Ms sencillo Menor coste Menor nmero de casos de estudio Modelizacin rudimentaria del comportamiento del avin que penaliza

algunos diseos

ii. JAR

Se tienen en cuenta tanto el avin como la atmsfera Requisitos ms severos que han recomendado en reduccin de prestaciones o

rigidizar estructuras en algunos casos

Intentos de convergencia entre FAA y JAA que ha materializado en nuevas ediciones de los cdigos

3) Factor de atenuacin de rfagas

Una rfaga instantnea vertical de valor U, se modeliza como ~

. El incremento de

sustentacin que ve el avin ser

= 1 2 2

= 1 2

El factor de carga que ve el avin es

=

=

2

=


37

- Factor de atenuacin de rfagas

En el caso de torbellinos de mayor tamao, el avin se encuentra la rfaga y va

penetrando en ella. Sea un avin que se encuentra volando a velocidad V en vuelo

horizontal y estacionario. Cuando aparece una rfaga vertical de intensidad Umax no

quiere decir que bruscamente dicho avin se encuentre sometido a un empuje

proporcional a la velocidad, sino que ha de componerse con la velocidad horizontal V.

Existe una zona de transicin en que la velocidad vertical U ir creciendo hasta valer el

mximo, intensidad mxima de rfaga.

Se puede considerar la rfaga como:

=

2 1 cos

2

2

x distancia horizontal que mide el grado de penetracin en la rfaga

D semilongitud de la rfaga

Se considera que la velocidad V permanece constate, de acuerdo con ello, la distancia de penetracin del avin en la rfaga al caso de tiempo t ser x=Vt

El avin no cabecea mientras la rfaga est en el ala, lo har en su caso al llegar a la cola (hiptesis conservativa).

Rfaga uniforme segn la envergadura No hay efectos de la rfaga en el fuselaje ni en la cola (slo en el ala). El avin se desplaza verticalmente por efecto de la rfaga

La rfaga producir un incremento en la sustentacin L y, como consecuencia, una

aceleracin vertical que originar a su vez un desplazamiento vertical de velocidad, se

cumple

=

2

2= +

a) Efecto del movimiento vertical (Lg)

Debido a la velocidad vertical que induce un incremento de ngulo de ataque negativo,

afectado del retardo adecuado entre el cambio de y de sustentacin. Es un trmino de

amortiguamiento de la sustentacin

=1

2 2

22

1 ( )

1 ( ) = 1 0.1650.09 0.3350.6


38

b) Efecto de la rfaga

Variacin de debido a la velocidad vertical de la rfaga, afectada de otro retardo

debido a que a lo largo de la cuerda cambia la velocidad vertical (Kssner). Es la

contribucin a la sustentacin de la rfaga.

=1

2 2

( )

Para poder integrar, se hace un cambio de variable

=

=

=

22

=

2

2

Teniendo en cuenta el perfil de la rfaga y D=12.5c (no se sintoniza el modelo de Pratt),

la ecuacin solo depende de

ns incremento del factor de carga instantnea

Kg factor de atenuacin de rfagas

Umax intensidad de la rfaga instantnea

=

2

=

=0.88

5.3 + < 1

2 La densidad de esta ecuacin es la de vuelo, es decir, aqu vara con la altura, sin embargo, en la ecuacin para calcular el factor de carga mximo, se tiene en cuenta solamente la densidad a nivel del mar


39

=

2

Siempre es ms pequeo que el que penetrara con esa rfaga si fuera instantnea. La

expresin es independiente de h (altura de vuelo), si todas las velocidades son EAS

(equivalentes), debiendo entonces darse a la densidad el valor a nivel del mar

=

2

= 0 =

i. Parmetro msico del avin

=

2

=

2

El parmetro compara la masa del avin con la masa de aire que desplaza al moverse

verticalmente.3

En aviones con pequea carga, se tiene ms en cuenta la turbulencia debido al

incremento de la carga. Los aviones con poca carga alar, tienen ms sensibilidad al

incremento del factor de carga.

4) Envolvente de rfagas

Se consignan los valores de carga de rfagas obtenidas a diferentes velocidades segn el

modelo de rfaga instantnea equivalente

CDIGO ANTIGUO

Ser VB la velocidad de mxima intensidad de rfagas de proyecto. VB no debe ser

menor que VBmin. Determinada por la interseccin de CNmax y la lnea que representa la

mxima rfaga positiva o 1 1, es decir

1 1

1 Velocidad de entrada en prdida sin flaps al peso de consideracin

3 Ejemplo de clculo del parmetro msico

=2

para un A320-200 con

= 5891

= = 3.59 = 6

= 50

= 0.7958


40

Sea un vuelo rectilneo y uniforme a factor de carga unidad

= 1 + = 1 +

2

= 1 + = 1 +

El valor de la intensidad de la rfaga U depender de la velocidad V. Las normas dan

los valores de Umax para los valores de

VB 66ft/s para 0h20000ft, 38ft/s a 50000ft, con evolucin lineal entre 20000 y 50000 ft

VC 50ft/s para 0h20000ft, 25ft/s a 50000ft, con evolucin lineal entre 20000 y 50000 ft

VD 25ft/s para 0h20000ft, 12ft/s a 50000ft, con evolucin lineal entre 20000 y 50000 ft

Se permite que el n a VB no est por encima del correspondiente a VC

Antes del ao 2000 se podan hacer las dos envolventes, la de maniobras y la de rfagas,

superponerlas y quedarse con una combinacin conservativa de ambas


41

CDIGO ACTUAL

Mtodo de la rfaga discreta sintonizada

=

2 1 cos

Se compensa con la altitud

Velocidad media de crucero es 0.95Vmo (Velocidad mxima operativa)

Ley de variacin de la velocidad con el espectro turbulento actual (potencia 1/6)

Introduccin de un factor de misin (aproximacin a AWDTG)

= =

350

16

5) Velocidad para mxima intensidad de rfagas

VB no ser inferior a 1 1 +

498 siendo Uref y Vc EAS, por lo que la densidad

ser la de nivel del mar. Al usar esta ecuacin, se deben de poner todas las unidades en

el sistema britnico, por lo que no es muy recomendable

6) Cargas de rfagas y turbulencias

Se usa el criterio de rfagas discreto de proyecto:

S distancia penetrada en la rfaga (ft)

Uds velocidad equivalente de rfagas de proyectos

H distancia de gradiente de rfaga (ft), es la distancia medida paralela a la trayectoria

del avin que se alcanza el valor de la velocidad de picado est entre 30 y 350, se elige

el que haga la peor rfaga)

=

350

16

Se utiliza las Uref:

Para la VC (EAS): a. 17.07 m/s (56 ft/s) a nivel del mar

b. 13.45m/s (44ft/s) a 15000ft, interpolando linealmente entre medias

c. 7.92m/s (26ft/s) a 50000ft, interpolando linealmente entre medias

Para VD (EAS) son la mitad

El valor de Fg debe de aumentar desde el que se tiene a nivel del mar, aumentando

linealmente hasta 1 en la altitud mxima operativa


42

=1

2 +

= 1

250000

= 2 tan 1

4

1 =

2 =

Ejemplos de ordenes de magnitud

72

= 25000 = 21500

= 21350 = 19700

= 0.9

1 = 0.9932 = 0.916

= 0.106 = 0.503

320

= 41000 = 73300

= 64500 = 61000

= 0.856

1 = 0.8972 = 0.892

= 0.148 = 0.467

7) Dispositivos hipersustentadores

a) Si se van utilizar flaps a las velocidades VF y posciones de flaps

correspondientes se supondr el avin sometido a maniobras simtricas y

rfagas

a. Maniobra a n=2

b. Rfagas positivas y negativas de 7.62m/s (25ft/s) EAS con Uds=6.62m/s

y H=12.5c. No hay que sintonizar en tamao ni compensar en altitud

b) Debe estar diseado para las condiciones de a)


43

Tema 9 Cargas de vuelo. Maniobras Asimtricas

1) Introduccin

En las lecciones anteriores se han considerado las cargas de maniobra y rfagas

simtricas. Las normas tambin se ocupan de las maniobras y rfagas relacionadas con

balance y guiada.

2) Condiciones de balance

- Maniobras

Las condiciones, velocidades y deflexiones de alerones deben de considerarse como

combinacin con un factor de carga o 2/3 del factor de carga lmite positivo de

maniobra. Al determinar las deflexiones requeridas del alern, se debe de considerar la

torsin del ala.

1. Se debe de investigar las condiciones correspondientes a velocidades de balance

(p=cte, = 0 ), se debe de considerar las condiciones a mxima aceleracin

angular de balance para aviones con motores y otros elementos ( = 0, )

2. A VA, se asumir una deflexin sbita a tope del alern (tirn fuerte)

3. A VC, la deflexin del alern debe ser tal que producira un ritmo de balance no

inferior al del caso 2.

4. A VD, la deflexin del alern debe ser tal que producira un ritmo de balance no

inferior a 1/3 el del caso 2.

- Rfagas asimtricas

Se supondr rfaga vertical en caso de vuelo equilibrado, de tal manera que en un lado

del semiala se tiene el 80% de la intensidad y en el otro semiala el 100%. De esta

manera obtenemos una asimetra que nos da un momento en balance


44

Debido a la deflexin del flap, se

carga el larguero posterior a flexin

y aparece algo de torsin.

Debido al resbalamiento,

fundamentalmente hay torsin.

En el ltimo caso, se carga a flexin

el larguero anterior

Los clculos se realizarn sin tener en cuenta el acoplamiento de los problemas

longitudinal y direccional y as obtener un resultado ms conservativo.

3) Condiciones de guiada

Se disea a VMC y VD. Al considerar las cargas sobre la cola, se supondr que la

velocidad de guiada es nula (solucin conservativa).

Con el avin en vuelo no acelerado sin guiada se supone un movimiento del timn de

direccin hasta llegar a un valor de ngulo de resbalamiento mximo o esttico si no se

llega, al llegar a ese valor, se devuelve a su posicin neutra.

Al mover el timn y el avin girar, aparece una carga contraria que aliviara la carga, al

anularla para hacer las cuentas, nos ponemos en una situacin ms conservativa


45

Tema 10 Tren de aterrizaje

1) Introduccin

La misin del tren de aterrizaje es:

i. Absorber la energa cintica vertical de aterrizaje

ii. Proporcionar caractersticas de rodadura apropiadas

iii. Impedir el contacto de otras partes del avin con el suelo.

El tren de aterrizaje est compuesto por:

i. Ruedas

ii. Sistema amortiguador

- Nomenclatura

e embolo

c cilindro

g gas

l lquido

n neumtico

m masa

b ancho del neumtico

desplazamiento amortiguador

Al tocar el suelo, aparece una fuerza normal, N, en el terreno que aplasta el neumtico y

hace una fuerza tal que 0 y aumentar hasta llegar al mximo posible de la dinmica.

max depender de m, de las caractersticas del amortiguador y de la velocidad de cada.

La cada tpica (normalizada) es de 0 = 10

3.048

2) Neumtico

La relacin entre la fuerza Fn y el aplastamiento del neumtico, , es:

= 1/ 0.5 1

1 para neumticos de alta carga, se usarn en pistas preparadas para reducir el

tamao de las ruedas y poder meterlas dentro del avin

0.5 para ruedas de baja presin, se utilizarn para aterrizajes en pistas poco

preparadas


46

Algunos datos sern:

= 3 = 13 ~0.75

Para la determinacin de Kn y , se puede hacer:

= 1/ =

1/ =

1/ =

Si solo tuviramos un neumtico, sin sistema amortiguador:

Ecuacin de fuerzas verticales:

= 2

Ecuacin de la energa cintica entre los instantes

t=0: la rueda toca el suelo con = 0 = 10

, = 0

t=tf: la velocidad vertical es nula, = max de aterrizaje

=

0

= 1/

0

=

+ 1

1/ =

El rendimiento del neumtico dice que fraccin del trabajo mximo que podramos tener

se da

3) Amortiguador

El amortiguador se pone para que la reaccin del terreno sea menor. Para que el avin

no rebote.

- Cilindro

En el interior del cilindro actan la presin atmosfrica pa ms

una sobrepresin pc. La componente lateral no afecta en Fa.

Sbe es la superficie barrida por el mbolo que es la misma que la

base. Al multiplicar por , obtenemos el volumen desalojado.

Esto ser para este diseo de mbolo, depender de la

configuracin, sera una u otra, pero siempre ser la superficie

barrida por el mbolo.


47

En cualquier configuracin, para calcular Fa hay quq usar la Sbe, que ser la que

multiplicada por nos d el volumen desalojado.

=

donde

= +

La cada de presin por el paso en el orificio ser

=1

22 = = =

=0

Por lo que

=1

2

0

2

2

- mbolo

Para el mbolo consideramos una variacin politrpica del gas:

+ = donde ~1.2 1.3, no ser 1.4 pues no es tan rpida para ser ese

valor

+ 0 = 0 + 0

+ 0 +

=0

0 =

1

1

= 01

1

l es una caracterstica geomtrica, y se ha considerado que la presin atmosfrica es

mucho menor que la del mbolo. Finalmente, se tiene:

=1

2

0

2

2

+ 01

1

= =1

2

3

0 2

2

+ 0

1


48

Esto se podr separar en la fuerza debida al lquido (primer sumando), y la fuerza

mnima ejercida por el gas (segundo sumando).

= + =

+ 0

1

1

=1

2

3

0 2

0 = 0

El valor absoluto se pone para que la ecuacin sirva al extenderse y al contraerse el

sistema amortiguador, de esta manera tenemos en cuenta la direccin del lquido.

La velocidad se puede poner como una contribucin de lo que baja el amortiguador y lo

que se aplasta el neumtico:

=

+

= = = 0 0

Poniendo el sistema hallado en forma integral para poder resolverlo numricamente se

obtiene:

= 1/

= +

=

= 01

1

=

1/

=

+

=

Operando el sistema, obtenemos:

=

1/ (1)

Para calcular

= =

, obtenemos:

=

=

1/ 01

1

(2)


49

donde

=

=

1/ 0

1

1

(3)

Entre t=0 y t tal que = 0 = 0

,

= 0

=

=

1/

Un mtodo vlido para integrar numricamente el sistema es mediante un Runge-Kutta

4) Conjunto Neumtico + Amortiguador

Aplicando el teorema de la energa al conjunto neumtico y amortiguador, se obtiene

1

2 2 0

2 =

0

= =

+ 1

1/ =

Definiremos el rendimiento del sistema como =

, est sacado de la estructura

a efectos de soportar la carga mxima ya que sta no se est soportando todo el tiempo.

1

2 2 0

2 = 1/

Queremos saber como se comporta el sistema, es decir, como varan v, y con el

tiempo:


50

En el caso de sin amortiguador, no hay disipacin de energa, el neumtico devuelve

una velocidad v0 (la misma con la que lleg, pero al contrario), esto ocurre por no tener

amortiguamiento.

Al colocar el lquido, por el orificio se disipa energa, tanto al comprimirse, como al

expandirse. Si en primer lugar calculamos todo hasta 0, obtenemos los valores inciales

para los que integrar el sistema completo.

Para la figura (1), se consigue un mximo debido al gas y otro al lquido Para la figura (2), donde Kl>>1, el lquido har mayor fuerza que el gas Para la figura (3), donde Kl


51

Se dar un y de ah obtendremos Kl, l y F0m para ello impondremos:

i. Comportamiento ideal:

= = =

ii. Aproximamos el mximo a la mitad del alargamiento mximo, es decir:

=

2 = =

iii. Cuando el avin est en el suelo, queremos que el alargamiento sea la mitad del

mximo, es decir

=

2

iv. Ecuacin de energa cintica entre t=0

teoría dea

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