IPNESIME TICOMAN

ACADEMIA DE AERODINÁMICAMECÁNICA DE VUELO

PROF. JACAAgosto 2014

Guía e instrucciones para el ProyectoTítulo: “Cálculo de los Rendimientos y Actuaciones de un avión

monomotor de combustión interna con hélice“

Este proyecto servirá como ejemplo y ejercicio para aplicar, de manera individual y en equipo, una metodología de cálculo de los rendimientos y actuaciones de un avión.

El proyecto se realizará individualmente, y en paralelo se desarrollará otro en equipo, resultado de la colaboración y consenso de los trabajos individuales de los integrantes de cada equipo. Los avances de éste último serán parte de la 1ª y 2ª evaluación semestral. Ya terminado se entregará como evidencia del trabajo colectivo para complementar la 3ª calificación hacia el final del curso.

El proyecto individual se deberá traer siempre a clase, (en formato libre: cuaderno, carpeta, computadora, etc.), con el avance al día, en calidad de borrador, como apuntes y ejercicios con resultados gráficos y numéricos del avión propuesto. Eventualmente servirá como material para evaluar el rubro de participación en clase y además, se requerirá terminado, impreso y engargolado, en caso de optar por la evaluación extraordinaria al final del curso (ver calendario de evaluación).

Evidentemente ambos trabajos, el individual y el en equipo, deberán ser congruentes y podrán ser similares pero no iguales.

Los equipos se formarán conforme a los listados oficiales del SAES. Consultar en el Buzón y/o con el profesor el equipo al que se pertenece.

Además de evaluar el contenido y presentación del proyecto, se calificará la voluntad y capacidad de trabajar en equipo así como el cumplimiento y precisión de seguir las instrucciones, empezando con ésta Guía del Proyecto.

Forma de evaluación y entrega del proyecto en equipo:

En la primera y segunda evaluación semestral, en las fechas previstas en el calendario de evaluación, se presentarán los avances respectivos, en pantalla de computadora y en formato PDF. Solamente se entregará un documento impreso que contenga una portada, en una cuartilla el resumen del punto iv de ésta Guía, la ficha técnica correspondiente y las tres vistas del avión propuesto, todo conforme a la Guía. Todos los integrantes del equipo deberán estar presentes durante la 1ª y 2ª revisión de avances.

El proyecto completo y desarrollado en equipo, se entregará en un CD en formatos .docx y .PDF para complementar la tercera evaluación semestral. Deberá ceñirse a las instrucciones de esta Guía.

1

A continuación se explica la estructura del proyecto como documento (tanto el individual como el desarrollado en equipo):

Portada: Título, datos institucionales, del (los) integrante(s) del equipo, del profesor, lugar y fecha.

i) Introducción. Texto en el cual se deben describir el avión, su misión y los motivos de su selección.

ii) Objetivo. Redactar en máximo de 5 renglones, el objetivo del proyecto en el contexto del curso.

iii) Contenido. Es el índice con paginación. En ésta Guía, lo anotado en color azul corresponde al contenido (índice) del proyecto. Lo anotado en negro son instrucciones, explicaciones o ejemplos. Este texto no debe aparecer en la presentación del proyecto.

Desarrollo:El desarrollo de cada tema (y/o donde aplique) deberá tener la siguiente estructura:

a. Título.b. Definición.c. Introducción (breve explicación que ubique lo que se va a hacer desde un contexto general).d. Glosario, acrónimos, siglas y/o simbología utilizada, en su orden de aparición.e. Desarrollo físico-matemático del tema hasta la obtención de ecuaciones y fórmulas requeridas.f. Ilustraciones que apoyen el desarrollo.g. Cálculos.h. Análisis dimensional.i. Presentación de resultados.j. Todas las ilustraciones (dibujos, gráficas, etc.) y tablas deberán llevar título y número de control.k. Los encabezados de las tablas, para cada columna debe indicar: nombre del parámetro; símbolo; fórmula,

fuente o forma de cómo se obtiene su valor; unidades.l. Referencias bibliográficas. Adicionalmente a lo visto en clase, se deberá consultar y contrastar con al menos

una bibliografía y colocar la referencia, (ejemplo: [1] Ordóñez 4, pag. XX), para cada tema, gráfica, ecuación, fórmula, dato, etc., utilizados.

iv) Consideraciones preliminares.Para el proyecto en equipo, previa discusión y consenso de los integrantes, redactar un texto que planteé un escenario, una problemática por resolver o una necesidad a cubrir. Puede tratarse de algo hipotético pero realista, como por ejemplo la selección de un avión para una empresa de fotografía aérea, un fumigador, un taxi aéreo, etc. Explicar el lugar, su elevación, el tipo o características del aeropuerto, aeródromo o terreno de despegue, el tiempo estimado de vuelo, la distancia a recorrer, la altitud y velocidad de crucero, los tipos de maniobras a realizar, etc. del avión propuesto.

v) Estudio comparativo.

Como base para desarrollar la propuesta de un avión al cual se le calcularán sus rendimientos y actuaciones, se requiere hacer un estudio comparativo de aviones similares, para adquirir experiencia indirecta, tomar ideas y saber más sobre aviones similares al propuesto.

2

Bajo este título redactar el propósito del estudio comparativo, colocar como ejemplo solo una de las gráficas de dispersión con su regresión e indicar que en el anexo A se encuentra el desarrollo del estudio comparativo: tabulación o base de datos, las 3 vistas de cada avión recopilado y las gráficas de la estadística.

Proponer la geometría, forma y dimensiones del avión al cual se le van a calcular las actuaciones y rendimientos, teniendo como condiciones que sea: monoplano, ala fija, monomotor alternativo y con hélice. No utilizar algún avión existente.

El estudio comparativo de cada proyecto deberá considerar al menos 10 aviones.

Para acotar un rango de posibilidades, los aviones similares deberán tener una potencia alrededor de los 300 HP.

En una hoja electrónica, tabular y graficar el peso máximo de despegue, W0, de cada avión contra los demás parámetros de la ficha técnica mostrada más abajo. Ejemplo: W0 vs pasajeros; W0 vs Superficie alar; W0 vs Potencia, etc.

A todas las gráficas aplicarles la regresión lineal para obtener la línea de tendencia de su comportamiento.

Obtener el promedio aritmético del peso máximo de los n aviones investigados. Con éste valor, regresar a las gráficas y con base en las líneas de tendencia, obtener los demás parámetros para completar la ficha técnica en la columna correspondiente al estudio comparativo.

vi) Ficha Técnica del avión propuesto (No modificar el formato de la tabla)Ésta ficha se irá completando conforme se avance en el proyecto. Evidentemente la columna de datos del estudio comparativo estará limitada a las fichas técnicas de los aviones investigados. Mientras más datos se obtengan, mejor será la evaluación.

APLICACIÓN DEL AVIÓN: DEL

ESTUDIO COMPARA-

TIVO

1ª REVISIÓN

2ª REVISIÓN

PROYECTO FINAL

PARÁMETRO SIMBOLO UNIDADSistema Internacional Sistema Inglés

Cantidad Unidad Cantidad Unidad

1Capacidad de pasajeros y/o tripulantes #Px - - -

2 Longitud la m3 Envergadura b m4 Altura ha m5 Perfil del ala - - -6 Superficie alar S m2

7 Superficie “húmeda” Sh m2

8 Conicidad λ - - -9 Cuerda Media Aerodinámica CAM m

10 Alargamiento AR - - -11 Factor de eficiencia de Oswald e - - -12 Peso vacío We kg13 Peso máximo Wo kg14 Cantidad de combustible Wvf l15 Peso del combustible Wf kg16 Potencia nominal P HP17 Velocidad nominal de giro del motor nm RPM

3

18 Relación de variación de n´s nm:nh - - -19 Velocidad máxima operativa VMAX km/h20 Velocidad de crucero VC km/h21 Velocidad de desplome en h0 VS0 km/h22 Autonomía E horas23 Alcance R km24 Techo absoluto H m25 Techo de servicio (crucero) hc m26 Techo operacional ho m27 Régimen de ascenso en crucero VVc m/s

Hélice:

Perfil aerodinámico

28 Diámetro de la hélice Dh m

29Altura de seguridad (punta hélice- suelo) hh m

30 Número de palas N - - -31 Ángulo de paso en crucero β 0.75R (o)32 Eficiencia máxima en crucero ηMAXc

33 Perfil

Otros:

Tabla xx. FICHA TÉCNICA DEL AVIÓN PROPUESTO:

vii) Tres vistas inicialesNo utilizar tal cual alguno de los aviones recopilados, se trata de proponer otro que podrá ser similar a alguno pero con las dimensiones (anotadas en la ficha técnica) derivadas del estudio comparativo. La geometría (la forma) puede ser parecida alguno de los aviones recopilados en tanto sea congruente con la aplicación elegida.

Elaborar los dibujos TÉCNICOS* a escala de las tres vistas del avión. Incluir cada vista en una hoja tamaño carta con acotaciones, escala y cuadro de datos (título, fecha, escala, unidades, etc.), además del isométrico.*Se recomienda utilizar un software de dibujo o en su defecto, hacerlo con las reglas y calidad de un dibujo técnico. Para las revisiones de avances, se requerirá imprimir las tres vistas. Debe tenerse cuidado de que las impresiones guarden la escala real indicada en sus cuadros de datos.

viii) Perfil de MisiónPara desarrollar éste punto, se requiere estudiar el tema en el libro de Daniel P. Raymer, Aircraft design: a conceptual approach. Con base en las consideraciones preliminares, elaborar el dibujo esquemático del perfil de misión. Para mejorar la explicación del perfil, elaborar una vista superior de la trayectoria desde el despegue hasta el aterrizaje con el mayor número de detalles tales como el tipo de aeropuerto o características de la zona de despegue, tipo o forma de ascenso, altitud y velocidad esperada de crucero, distancia recorrida (aproximada), tiempo de vuelo (aproximado), forma o tipo de descenso y tipo o características de la zona de aterrizaje. Se recomienda utilizar mapas, cartas de navegación, croquis e ilustraciones en general.

1 RENDIMIENTOS1.1 Sistema de Propulsión

4

1.1.1 Introducción 1.1.2 MotorTodos los equipos deberán utilizar el motor Lycoming IO-540 de 300 HP. La información de éste motor será proporcionada al inicio del curso, misma que deberá colocarse en un anexo B del proyecto.Para hacer más interesante el proyecto, inicialmente no se considerará la sobre-alimentación en el motor, por ello habrá que hacer las correcciones de potencia por efecto del cambio de altitud de operación. Se recomienda utilizar el método con base en la densidad relativa que presenta Von Mises en su libro Theory of flight.

1.1.3 Corrección de la potencia por altitudDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

Tabular la potencia vs RPM´s desde la gráfica correspondiente (anexo B), a nivel del mar y efectuar las correcciones para las siguientes altitudes. Hacer las gráficas de HP vs RPM a las siguientes altitudes:

Nivel del mar Nivel del aeropuerto de despegue y aterrizaje. Nivel de la Cd. De México. Nivel del aeropuerto de Toluca. A 10000, 15000, 20000, 25000 y 30000 pies.

Este es un ejemplo de las gráficas solicitadas.

1.2 HéliceSe requiere estudiar el tema de selección de una hélice en los libros de D. Dommasch y C. Ordóñez 4 (ver la bibliografía del temario de la asignatura). Inicialmente se considerará de paso fijo y al final se asumirá que es de paso variable automático.

1.2.1 Definición

1.2.3 Introducción

5

1800 2000 2200 2400 2600 2800 30000.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

Potencia del motor a diferentes altitudes

h= 0 piesh= 5 000 piesh= 10 000 piesh= 15 000 piesh= 20 000 piesh= 25 000 pies

RPM

HP

Figura XX. Comportamiento de la potencia vs RPM´s con variaciones de altitud del Motor YYYY ZZZZ

1.2.4 Selección preliminarSeleccionar una hélice del compendio del libro de C. Ordóñez, tomo 4. Desde el estudio preliminar, tomar los datos de diámetro, D, número de palas y velocidad de crucero, Vc, para calcular el parámetro de similitud, J.

J p=V cnD

El subíndice p es de “preliminar”. El parámetro n es la velocidad de giro de la hélice, que en caso de no haber algún sistema de aumento o reducción de RPM´s, será la misma del motor.

Cada motor tiene un valor de potencia y RPM´s en donde opera con su mejor eficiencia. A esa potencia se le llama Potencia Máxima Continua, PMC, y es un dato que aporta el fabricante. Preliminarmente y en tanto se consigue dicho dato, un criterio conservador permite utilizar como PMC el 75% de la potencia nominal (máxima) para la altitud seleccionada junto con las RPM´s que resulten de la gráfica de HP vs RPM, ver punto 1.1.3 de ésta guía.

Antes de calcular el valor de J p, hay que verificar dos cosas:

1.2.5 Verificación por distancias de seguridadInvestigar en la reglamentación correspondiente y verificar que se cumpla la mínima distancia de seguridad de las puntas de las hélices con el suelo y/o con alguna parte del avión.

1.2.6 Verificación por MACH en las puntasInvestigar en la reglamentación correspondiente y verificar que en las puntas de la hélice no se alcancen velocidades transónicas. Para el proyecto se propone un límite de 0.80 de Mach.

En caso de no cumplirse lo anterior, se tienen dos alternativas: Disminuir el diámetro (reconsiderando el número de palas) de la hélice o suponer la instalación de un mecanismo reductor de RPM´s.

Con el J p calculado, buscar la hélice, entre las familias Clark Y y RAF-6, que tenga la mayor eficiencia y su

correspondiente ángulo de paso geométrico, β (al 0.75R). Ésta será la hélice para el avión propuesto.

El proceso de selección de la hélice debe ubicarse en el anexo B, incluyendo todas las gráficas de la hélice elegida. La metodología así como los resultados se ubicarán en éste punto (1.2) del proyecto.

1.3 Potencia DisponibleDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

Ecuaciones, tabulación de resultados y gráficas de PD vs V para altitudes indicadas en el punto 1.1.3 Estas curvas deben estar trazadas en una misma gráfica para observar y comparar su comportamiento al variar la altitud.

6

Tabla número xx. Secuencia para calcular la Potencia Disponible.

Ejemplos

1.4 Sistema Planeador

1.4.1 Perfil del AlaElegir algún perfil del libro Abbott. El criterio de selección queda abierto pero no dispensado. Se evaluará la metodología utilizada y los argumentos que justifiquen el perfil seleccionado.

1.4.2 CAM Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.Incluir el cálculo detallado, sin importar el método utilizado. Se recomienda leer ¿CAM o CGM en un AVIÓN? Origen, Realidad y Uso en la Práctica, documento proporcionado junto con esta Guía.

1.4.3 Alargamiento Incluir el cálculo detallado, sin importar el método utilizado.Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

1.4.4 Corrección por alargamiento Incluir el cálculo de corrección de la pendiente de la polar de sustentación del perfil del ala. Se recomienda utilizar el método del libro Dommasch.

1.4.5 Polar de sustentación del ala Trazo de la gráfica CLALA vsα y obtención de la ecuación en su zona útil (cuasi recta), CLALA=a ∙α+CLALAenα=0

1.4.6 Superficie húmeda del avión Estudiar el tema en el libro de Raymer en su libro, ver adendum en el Temario.Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

1.4.7 Arrastre parásitoDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.Se propone aproximar su valor a través del método de fricción superficial equivalente que presenta Raymer en su libro.

7

POTENCIA DISPONIBLE

0 50100

150200

250300

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

h= 0 piesh= 5 000 piesh= 10 000 piesh= 15 000 piesh= 20 000 piesh= 25 000 pies

V= km/h

H

P

Figura xx. Variación de la Potencia Disponible con respecto a la altitud

1.4.8 Arrastre inducidoDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

Su cálculo por medio de CDi=(CL)2

π A e

1.4.9 Polar de arrastre del aviónDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.Estimación de la resistencia al avance total del avión,

CDAVIÓN=C DPARASITA

+CD INDUCIDA

1.5 Potencia Requerida. Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

Ecuaciones, tabulación de resultados y gráficas de PR vs V para altitudes indicadas en el punto 2.1. Estas curvas deben estar trazadas en una misma gráfica para observar y comparar su comportamiento al variar la altitud.

1.6 Potencias vs Velocidad a diferentes altitudes.

Hacer las gráficas para cada altitud en una hoja tamaño carta.

8

Potencia Requerida

0 50 1001502002503003500.00

50.00

100.00

150.00

200.00

h= o piesh= 5 000 piesh= 10 000 piesh= 15 000 piesh= 20 000 pies

km/h

HP

Figura xx. Comportamiento de la Potencia Requerida a diferentes altitudes.

Ejemplos de las gráficas:

0 100 200 300 4000.00

50.00100.00150.00200.00

Pot. Req.Pot. Disp.

Km/h

HP

h=

NIV

EL D

EL

MAR

0 100 200 300 4000.00

50.00

100.00

150.00

Pot. Req.Pot. Disp.

km/h

HP

h=

5 0

00 p

ies

0 100 200 300 4000.00

50.00

100.00

150.00

Pot. Req.Pot. Disp.

km/h

HP

h=

10 0

00

pies

0 100 200 300 4000.00

50.00

100.00

150.00

Pot. req.Pot. Disp.

km/h

HP

h=

15

000

pies

2 ACTUACIONES

2.1 DespegueDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.Calcular las distancias de despegue en:

Nivel del mar. La pista señalada desde el perfil de misión. Nivel de la Ciudad de México. Nivel de la Ciudad de Toluca.

2.2 AscensoDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

2.2.1 Hodografas de ascensoElaborar las gráficas a las siguientes altitudes (o hasta donde aplique):

0 pies

9

Nivel de la Cd. De México. Nivel del aeropuerto de Toluca 10000 pies 15000 pies 20000 pies 25000 pies 30000 pies

Este es un ejemplo de las tendencias de las gráficas solicitadas. ↗

2.3 TechosDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

2.3.1 Techo AbsolutoDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

2.3.2 Techo Práctico o de Servicio Investigar el tema, desarrollarlo y presentar resultados.2.3.3 Techo OperacionalInvestigar el tema, desarrollarlo y presentar resultados.

2.3.4 Tiempo de ascensoDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.Calcular el tiempo de ascenso de nivel del mar a las altitudes de los techos del punto anterior.

2.4 DescensoDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.2.4.1 Hodógrafas de descensoElaborar las gráficas a las siguientes altitudes*:

30000 pies 25000 pies 20000 pies 15000 pies 10000 pies

(*En las que aplique)Este es un ejemplo de las tendencias de las

gráficas solicitadas.→

2.5 AterrizajeDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

10

Calcular las distancias de aterrizaje en las mismas altitudes en las que se calculó el despegue.

2.6 VirajeDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.Plantear al menos dos condiciones realistas de virajes coordinados en congruencia con el perfil de misión, proponer dos parámetros (Vt, r, Ф), y calcular el tercero. Incluir ilustraciones.

2.7 AlcanceDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

2.8 AutonomíaDesarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

ix) Fuentes de consulta y bibliografía.

x) Conclusiones. Cada integrante del equipo debe desarrollar su propia conclusión.

Los anexos van al final del trabajo

Anexo A) Aviones similares. Anexar el acopio de información. Se requiere por lo menos: 3 vistas y ficha técnica de cada avión. Colocar en este anexo las tabulaciones y gráficas del estudio comparativo.

Anexo B) a) Perfil del ala. Incluir gráficas, coordenadas y dibujo del perfil seleccionado.

b) Motor. Incluir la información del motor proporcionada.

c) Hélice. Incluir la información y gráficas de la hélice seleccionada.

11