sábado, 30 de julio de 2011

DEL LADO DE LA INVESTIGACIÓN

Pasan cosas en el mundo de la investigación. He publicado a proposito del SmartBird, ahora descubro que dos ingenieros Franceses han publicado sobre las alas batientes.

Mohamed Hamdaoui
es politecnico y aborda la cosa del punto de vista del analisis. Su trabajo se llama : Optimisation multicritères de l'efficacité propulsive des ornitoptères, y propone unos algoritmos evolutivos y data-mining para esta optimización. El texto existe probablemente en inglès pero de momento no lo he encontrado. Pero existe un Pdf firmado por Stéphane Doncieux y Mohamed Hamdaoui sobre el mismo tema :
Evolutionary Algorithms to Analyse and Design
a Controller for a FlappingWings Aircraft
http://www.httpisir.upmc.fr/files/2011COS1865.pdf

Yves Lenoir es Ingeniero de Minas, pero no se satisface de lo subterraneo (¡!). Ademas de su trabajo teórico ha experimentado con un cierto exito un sistema de control de la torsión de las alas que confirma sus algoritmos. Su trabajo se llama : Vers un control du vol d'un oiseau artificiel, es decir : Hacia un control de vuelo de una ave artificial. Para quien habla francés el texto es relativamente facil, lo que no puedo garantizar del texto de Hamdaoui que de momento no he podido adquirir.

Visitando las paginas "Ornithoptères" de la web se encuentran el primero en primera pagina y el segundo en pagina 12 de momento.

Otros datos sobre los trabajos de Lenoir en :
http://cas.ensmp.fr/~petit/site-oiseau-np/main.htm

jueves, 14 de julio de 2011

EL ALA DEL WAKE Y DESCRIPCIÓN COMPLETA.

Primeras aproximaciones de las dimensiones y de la elección de perfiles.

Nuestros BE9744 y 9745 son del máximo interés por su bajo arrastre a pequeños ángulos. A cambio no les gustan los Reynolds de menos de 50.000. Entonces se tiene que tener cuidado con lo que se hace con ellos. Hemos de reflexionar y calcularlo fijandonos una envergadura de 1,30 m y una superficie de 16 dm2.
Estimando el Cz general del ala de 1,00 puesto que el alargamiento es del orden de 10, no hace falta esperar mas a la velocidad mínima, a lo mejor menos y si el caso se da van los Re subiendo, ¡Mal menor! Si la sección puede dar mas, eso sera de poco uso con el alargamiento limitado. Llego a una velocidad de planeado de 5 m/s, lo que me parece de lo mas realista. La verdad es que a esta velocidad y con el dicho Cz la fuerza de sustentación es de 244 g. Con 230 g si se puede lograr desde el primero ejemplar (?), la velocidad no va a diferir, apenas.
Entonces el perfil central de 160 mm de profundidad estaría en 56.000 Re, el siguiente de 140 mm estaría en 49.000 Re. Eso nos vale para la parte fija, aunque estaríamos mas cómodos con una cuerda de 150 mm (52.500 Re).
Bien, la parte batiente tiene como ayuda la velocidad extra que le vale su movimiento. No obstante quiero hacer una maquina que sube, para el motor y planea. Un "flop" no sería una base de comparación honesta con los Wakefields de hélice. Se requiere además de una maquina que pueda escapar de las turbulencias próximas al suelo, subiendo francamente al principio del tiempo motor.
En eso no hay desperdicio. Hemos visto que para construir ligero, sea un planeador, un avión de transporte o un wake tenemos mucho interés en reducir el momento a la raíz. Eso nos conduce a dibujar alas mas afiladas que lo que llamamos ala de repartición de sustentación elíptica. Esto tiene menos consecuencia para un wake de peso fijado. Aunque la agilidad dada por un ala ligera da ventajas en las recuperaciones, entonces mejor planeado.
Por otra parte el momento a la raíz esta directamente ligado al esfuerzo necesario para el batido. Un batido algo mas rápido nos va bien, para mas regularidad de vuelo, menos heaving entre otras cosas.
Pero si respetamos esta regla vamos a tener extremidades con un numero de Reynolds muy débil. ¿Hay secciones para volar a 20.000 Re? Si las hay con L/D del orden de 20 desprendimiento salvaje a los grandes ángulos y también a los ángulos negativos. El intradós se vuelve entonces fuente de arrastre por debajo de Cz 0,8 o a lo mejor 0,7, los Cz que no van alcanzar las extremidades en planeado ni en la fase de recuperación (subida de las alas).
¿A que Re están la extremidades de nuestra máquina con una velocidad de planeado de 5 m/s? Si miden 60 mm : 20.000 Re – 70 mm : 24.000 – 80 mm : 28.000 – 90 mm : 32.000. Por lo menos están muy por debajo de los 50.000 que no tenemos que rebajar.
Hay una solución que consiste a llegar a la repartición de sustentación por torsión o por torsión aerodinámica, la diferencia es que en la segunda hay evolución de la sección con o sin torsión geométrica. Entonces la cuerda puede quedarse en los 90 mm. Pero todavía estamos en una zona que no asume el BE9745 ni el BE9744.
Da la casualidad que estas secciones aguantan muy bien una intervención (ademas existen BE mas delgados). Si las reduces a 6% y bajas la curvatura a 3% tienes un perfil de poca sustentación (Cz 1) pero que queda con una baja resistencia a pequeños ángulos (hasta -2º cuando apenas produce sustentación) y puesto que no tenemos necesidad de mucha sustentación esto nos vale. Algo puede molestar : el desprendimiento puede ser brutal en el borde marginal y encontraríamos el defecto de las alas elípticas : poca estabilidad lateral. Habrá que buscar soluciones : turbulencia (probablemente necesaria), flecha del borde de ataque, marginal elíptico o de flecha acentuada, perfil de nariz respingona como el BE5055VN1. ¿Se podría aplicar al BE9745 disminuido? ¡A probar! Y queda una que se usa poco en modelismo : la rendija que va soplando aire en el extradós, tal el álula de las aves. ¿Fija o automática? ¡That is the question! En todo caso si se confía algo en la “simulación” no hay muchas razones de dudar de la perdida benigna de este perfil, sea en versión original o sea en versión delgada. Los intermedios parecen buenos también.
Me fío de X-Foil para decir eso. Ni X-Foil ni JavaFoil están en el dominio definido por sus creadores cuando se les pide analizar los 30.000 Reynolds. Otro detalle : el ángulo de L/D máximum se queda bastante constante en estas pruebas, la torsión óptima no tendría que ser de calculo complicado. El ángulo de principio de la perdida baja de 10º a 8º cuando el perfil adelgaza hasta 6%. Una torsión de 2º podría beneficiar a la estabilidad lateral, al menos que encontremos otra solución.
¿Y que pasa si como a los diseñadores del SmartBird no da las ganas de incluir un pequeño servo en los interiores del ultimo panel? Pues no se, en unos análisis los BE tal como estan definidos enseñan que esta posible, en otros el arrastre se vuelve enorme debajo de 40.000 Re, todo quedando igual por supuesto. ¡Parece que la aerodinámica tiene un cierto grado de incertidumbre! No vamos a entrar en esta zona critica y pondremos el servo al intradós, cubierto con una tapa perfilada.

Planos
De lo de antes deduzco unos planos.
La parte central contiene el mecanismo. Hace parte del pilón o torreta. Tiene una profundidad de 160 mm y al ancho tiene 100 mm.
El resto de la parte fija mide 150 mm de media-envergadura y la profundidad baja de 160 mm hasta 150 mm. A la raíz necesitamos todo el grosor del BE 9744. Al acercarse de la parte batiente el perfil puede perder algo de grosor puesto que los cables o tirantes ya se pueden reagrupar y que no hay mas clave que injertar.
La primera parte del ala batiente mide 150 mm de envergadura y las cuerdas pasan de 150 mm a 135 mm. La ultima parte mide 300 mm de envergadura. Su profundidad va de 135 mm hacía 90 mm a los 200 mm de la raíz y luego pierde superficie con un BA en flecha de 30º. A la raíz de este trozo el perfil es el BE pero habiendo perdido ya un poco de grosor (8%). Cuando llega a tener 90 mm ya no tiene mas de 6% y su curvatura es de 3%. Aquí puede empezar a tener un pico bajos Re (pico respingón) y seguir perdiendo grosor. Esta parte podría ser también de BA sin flecha, en particular si la primera construcción fuera algo pesada, la superficie extra estando bienvenida. Todo el resto del ala esta sin flecha de BA.
La construcción de la parte central es de estructura. Luego hace falta tener una construcción destinada a la torsión. De todo modo la piel estará moldeada. Puede que su realización sea de resina y tejido, mas bien de seda. Otra elección seria una realización de una fina hoja de policarbonato moldeada con calor. Esta piel descansa sobre una estructura de costillas y largueros. Las costillas, poco numerosas, no están pegadas a los largueros. El mini servo de torsión esta puesto a la raíz de esta parte distal y trasmite sus ordenes por el larguero a la ultima costilla que le esta solidarizada. Algo tendra que hacer que la piel de intradós se quede aplicada a las costillas en particular en el borde de fuga. Pueden ser pinzas, o una cinta de espuma adhesiva a proximidad del borde de fuga, pueden ser muy pequeños anillos elásticos entre extradós e intradós.

El pilón.
Esta parte toma una grande importancia : no solo esta destinada a alejar el ala del fuselaje, ademas contiene todo el mecanismo que anima las alas. Sus dimensiones están determinadas por el tambor vertical que toma lugar delante de las alas. Esta cónico para regular la potencia y la bobina misma es elíptica, casi llana. Así el par esta en sus máximos cuando el batido cambia de dirección, lo que supone una manifestación de inercia en aumento. Por otra parte el par esta regulado por la bobina cónica y se queda mas o menos constante del principio al fin del tiempo motor. Hará falta mas constancia si la torsión es mecánica … y se aprovechara la oportunidad de una subida mas franca si el mando electronico de la torsión permite una intervención según la velocidad del ingenio. Entonces una temporización o un anemómetro mandara una reducción del “avance”, correspondiendo con una subida franca, por lo menos al principio.
Esta bobina esta sujetada entre dos rodamientos incluidos en dos piezas horizontales. Están sujetadas al fuselaje por dos piezas verticales. La bobina esta terminada por un pequeño cigüeñal doble. Cada biela ataca uno de los dos sectores que le corresponde, el otro siendo entrenado por un cruce de cables que salva resistencia relativamente a un engrenaje. Los sectores de batido principal y los de desfase están superpuestos en el pylón. En su borde exterior vienen engancharse los mandos de batido.
La bobina en adelante del ala podría dejar su lugar a un pequeño motor eléctrico, aunque esto no sea mi orientación. En mi proyecto (la bobina) recibe un pequeño cable de Kevlar protegido por una vaina. Esta cuerdita tiene que tener alrededor dos metros si el motor tiene 300 mm al descanso. Hace falta contar con una extensión de mas de 6 veces si la goma esta buena.
Bocetos van a explicar eso mejor que palabras, pero espero a que el escanner funccione.

El fuselaje.
Es un mero tubo de aluminio o de fibra de carbono. Esta un poco mas gordo que el fuselaje de un wake, puesto que tiene que contener idas y vueltas del motor. Este motor primero sale adelante y cambia de dirección sobre una pequeña polea. Luego hace dos cambios mas de dirección para salir rumbo al pylón. Entre ejes de las poleas hay 600 mm. Al principio hará falta hacer pruebas de baja potencia. La goma clásica de los modelistas conviene bien para hacer primero un motor de 6 vueltas, luego de 8 etc. Mas adelante buscaremos otra solución tal como goma redonda, por ejemplo goma de caza submarina. Las variaciones del centro de gravedad se tendrán que dominar, quizá con plomos en el cable o por un dispositivo mas sofisticado.

Cola.
El fuselaje se termina por un cono que sigue un tubo de menor diámetro. La cola se puede concebir de manera clásica, palanca grande y planos pequeños. Vería bien pruebas de planos de poco alargamiento, Delta por ejemplo, aprovechando las características de aguante a la perdida de estas formas. Sería una prueba interesante por sus consecuencias en la concepción de la cola de una maquina despegando desde la montaña, los pies del piloto siendo el tren de aterrizaje (entonces el estabilizador se vuelve una molestia). ¡Todo esta en todo y reciprocamente!

viernes, 8 de julio de 2011

¿Porque se tiene que controlar la torsión de las alas de un ornitoptero?

Kjell Dahlberg prueba un ala articulada. Ya tenía experiencia de un acelerador de Wingtip. Esta vez aplica un desfase del mismo tipo que el SmartBird. Muy bien, sus pruebas podrán comparar tal ala con la misma bloqueada. Seria interesante saber si la tracción y la sustentación crecen con el dispositivo, por ejemplo. Con la misma intensidad y los mismos voltios de alimentación por supuesto.
Eso dicho la elección de Kjell es de probar un ala membrana sin control activo de la torsión. Vemos a que nos lleva eso.
La critica del ala membrana es bastante simple. Si me fío de los datos para un ala de sección plana la sustentación va a ser débil. Cz 0,5 mas o menos y la eficacia no sera mejor, L/D 10 en alargamiento infinito, es decir un planeado muy corto con un alargamiento finito : L/D 5 o menos. Eso dicho en conceptos de planeado. Uno puede esperar mucho de los fenómenos transitorios, pero si no los ayuda un poco, las prestaciones van a quedarse muy bajas. Los modelos de ala membrana necesitan 100 W por kilogramo, cuando se evalua la potencia necesaria al vuelo de las aves a 20 W por kilo.
Tengo que reconocer que el ala membrana tiene la ventaja de su simplicidad. Hace meses que me he lanzado en la concepción de un ala mas sofisticada y todavía no la tengo lista para empezar la construcción. Por eso entiendo que Kjell y muchos mas se mantengan fieles a esta concepción que ademas puede tener sus mejoras.
El tema de la torsión es mas involucrado. Primero tenemos que verlo del punto de vista de la mecánica de vuelo.
Un ornitoptero tipo Park Hawk o pariente es un dos ejes por definición. Puede girar e inclinar gracias a su diedro. Ahora bien, para tener diedro en el vuelo batido el modelo tiene que tener mas amplitud hacía arriba que hacía abajo, lo que no es la mejor elección para la eficacia del batido. Pero es la condición de su control en los dos ejes definidos. El timón le da la posibilidad de cambiar la dirección que mira su pico, el diedro induce una inclinación que permite la entrada en curva.
¡Bueno! Eso vale con un ala rígida. Si el ala es altamente flexible, el diedro determinando un aumento del AOA del lado opuesto a la dirección deseada, se va a torcer este lado. Si el ala no tiene una mínima rigidez, la maniobra sera por lo menos imposible, si no catastrófica.
Esta mínima rigidez no esta buena para el vuelo batido. A lo mejor podríamos realizar una vela dando la torsión adecuada en vuelo batido pero las perturbaciones desviando el modelo no podrían ser combatidas. ¡Catastrófico si la perturbación es fuerte! Todd Reichert ha salido de la pista un par de veces … en aire muy que muy tranquilo a la seis de la mañana. Y sus alas no parecían tan flexibles en torsión.
Una torsión mecánica como la del TrueFly es el mínimo requerido. Si se desea tener algo de planeado el mecanismo tiene que tener un punto de parada donde la torsión sea compatible con esta fase del vuelo. Lo aconsejo puesto que aterrizar en picado puede destrozar el aparato. El modelo se queda un dos ejes pero sus maniobras son efectivas.
Si se introduce un servo para determinar la torsión se resuelven dos problemas a la vez, primero el rendimiento del vuelo batido aumenta porque los ángulos de ataque son mas convenientes y se puede volar como las aves con sustentación en las dos fases, segundo el modelo se vuelve un tres ejes como por milagro.
Otra vez entramos en un dominio donde hay dificultades. Una electrónica de a bordo (por ejemplo) tiene que determinar la torsión y mas vale que se adapte a la velocidad de vuelo. Por otra parte el piloto puede determinar variaciones en este movimiento de torsión de manera asimétrica. Ya tenemos nuestro control de inclinación. Las señales del control de torsión y de la recepción se tienen que mezclar antes de entrar en los servos, no es asunto imposible.
Para el Wake tengo que elegir entre la torsión mecánica y su control electrónico. Siendo por definición un modelo de vuelo libre no hay lugar de pensar en un control remoto, entonces solo tendría el control de a bordo que puede ser medianamente sofisticado, teniendo en cuenta el par el motor o la velocidad. Para el Orni mi solución ha variado, pero muy poco. Proponía al principio un control de la flexibilidad. No era mala idea, pero haría falta saber que viene una perturbación para prepararse a combatirla. Tengo que modificar mi concepción o sea tener un control de la torsión de cada aleta por acción de los brazos del piloto. A lo mejor, se podría aparear las dos soluciones : control de flexiblidad y control activo de la torsión que así costaría menos esfuerzo al piloto.

jueves, 7 de julio de 2011

ENSAYOS DE KJELL DAHLBERG RELACIONADOS CON EL SMARTBIRD

Me ha escrito Kjell dandome a ver sus dos videos relativos a una ala de movimiento parecido a la del SmartBird pero de tipo membrana y sin la torsion controlada del ingenio aleman. Dice :
"I have copied the mechanism to see if it works well
with membrane wings without forced wing twist."
http://www.youtube.com/user/wingdrive#p/u/2/X8sj8-HAenk
http://www.youtube.com/user/wingdrive#p/u/1/M7ziwrscoW8

sábado, 2 de julio de 2011

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LOS TURBULADORES

LOS TURBULADORES
Los turbuladores, así los llamaremos aunque existan varias maneras de llamarles, están bien conocidos de los modelistas del vuelo libre, pero también se usan en varias categorías de F3 (control remoto). Están también conocidos y usados por los aerodinámicos, quienes haciendo experiencias con modelos diminutos tiene que llegar a un flujo que se parezca algo a lo de alrededor de la aeronave estudiada.
El asunto es que las características del flujo cambian cuando el termino viscoso toma cierta importancia. En tanto la capa limite tiene relativamente poco grosor el esquema es lo siguiente : primero la capa limite es laminar , luego después de una corta transición se vuelve turbulenta, en fin, cuando baja aún mas su energía, ángulos de ataque elevados de un ala por ejemplo, se separa al borde de fuga primero. Pero con la bajada de los Re la transición se vuelve mas difícil y ocurre una separación laminar seguida de un bulbo o burbuja antes de que la capa limite se vuelva turbulenta. También con los pequeños Re la separación del borde de fuga llega mas temprano y se reduce el angulo de la separación y entonces la perdida. El bulbo laminar cambia el perfil de velocidades alrededor de la sección y resulta mucha resistencia. La separación al principio al borde de fuga, luego mas y mas profundamente destroza la sustentación y produce una resistencia enorme. Para domar a los dos fenómenos esta ventajoso provocar la turbulencia sea con un dispositivo que por el mismo produce resistencia, el turbulador. Se considera a menudo que este dispositivo vale por debajo de 100.000 Re. Podría ser el caso para el borde marginal diminuto de un HPO muy afilado, seria también el caso si se construyera uno usando “plumas”. Cada una estaría en un rango de Re débiles.
Vemos también el interés de perfiles tales el UI 1720 que no están exactamente adaptados, teniendo un Re critico bastante elevado. Para volar con estos a 1.000.000 Re podríamos provocar la turbulencia a 20% o un poco antes y mas cerca del borde de ataque si el tema es de volar cerca de 500.000 Re, incluido con versiones adelgadas del mismo UI 1720. En cuanto a los 100.000 Re y menos hará falta una versión muy delgada y un turbulador de dientes de sierra o pariente empezando muy que muy temprano. Ya en los 70 o 80 un modelista alsaciano, Jean Wantzenreither experimentó tal solución a los 30.000 Re o algo menos, llegando a igualdad con los mejores clásicos de la categoría “Coupe d'Hiver” 100 g entonces. Tal sección daba menos resistencia pero no llegaba a la misma sustentación. La diferencia era débil, asi que había poca diferencia de resultados.
Vemos ademas que el dominio de los turbuladores no esta tan limitado como se creía : el planeador DG 300 tenía uno de soplar la capa limite y acaba de cambiarlo por uno de dientes de sierra, los “pitots” se tapaban con demasiada facilidad.

¡LOS HILOS!
Consideremos dos categorías . En primer lugar los hay que están tensados delante del borde de ataque. El sitio del hilo en altura y también en distancia es de importancia. Experimentar es la única manera de determinar el buen sitio pero se puede indicar que un hilo situado bastante abajo del borde de ataque estará favorable a un perfil de alta sustentación usado a ángulos elevados. Al contrario otro perfil con curvatura mediana débil vera bien un hilo ligeramente por encima del punto de separación dando turbulencia a ángulos moderados. ¡El tamaño también importa! Los “Nórdicos” han usado frecuentemente un elástico de 1 mm o menos tensado entre soportes escasos. La vibración del hilo que entonces medía menos del milímetro inicial, servía para provocar una buena turbulencia. El uso se ha perdido por la fragilidad de la instalación en particular al aterrizaje. Para las prestaciones era un sistema excelente.
La segunda manera de usar hilos es de pegarlos a poca distancia del borde de ataque. En el caso de Xenakis (modelo de 93) uno de los pocos datos concretos que tengo es que pegaba el primer hilo a 10% o algo menos y un segundo a 25% mas o menos. En el estabilizador había solo uno situado bastante profundo en el extradós, lógico puesto que este vuela a pequeños AOA. Otros modelistas usan adhesivos estrechos superpuestos, fáciles de pegar y mover. La altura usual es del orden del medio milímetro. Notar que Xenakis usaba "hilos" cuadrados. Los modelistas son de costumbre mas discretos que Xenakis, aun cuando publican sus secciones con buena voluntad. ¡Eské! ¡Aquí esta el secreto del afinado!

LOS TURBULDORES DE DIENTE DE SIERRA.
Muy eficaces, son la versión 3D de los hilos pegados. Imagínense un recubrimiento, un encofrado diría yo pero me temo que suene afrancesado con este sentido, que vaya desde el borde de ataque o poco mas adentro y que pare a los 20%. Encima poned otro recubrimiento que vaya algo mas lejos en profundidad, estando cortado su borde anterior en dientes de sierra. El angulo corriente del fondo y de la punta de los dientes es de 45º. Se suele usar balsa de 1 mm que se lija mas o menos. El recubrimiento de papel o de tela solo empieza después del encofrado. Eso es lo clasico para modelos de poco peso, Wakefields, F1C y Nórdicos. Unos pocos Coupe d'Hiver fueron dotados del mismo dispositivo que entonces da por resolver problemas de peso. Jon Howes para las velas de su velero prototipo de “barco” de velas rígidas ha usado este tipo de turbulador, situandolo a 20%. Supongo que eran los fondos de los dientes que terminaba a los 20%, el UI 1720 necesitando, creo, una turbulencia precoz para un uso en modelos, incluido bastante grandes. Los planeadores de control remoto pueden sacar provecho de tal turbulador. Entonces se pega una cinta adhesiva, generalmente bastante lejos del borde de ataque. Se entiende que hace falta aprovecharse al máximo de las cualidades de una capa laminar, pero mas vale poner el dispositivo antes de la burbuja, ¡Así tiene mas eficacia! Lo que pasa en realidad va a por mas complexidad. Demasiado lejos del BA el dispositivo sirve pero a ángulos aun mas pequeños. A ángulos muy fuertes las secciones de este tipo de maquinas tienen una turbulencia provocada por el borde de ataque de diámetro relativo débil.

LAS PUNTILLAS
En el genero de los turbuladorers 3D tenemos otro dispositivo que consiste en un rango de puntillas de mas o menos 1 mm de altura y 1 mm de diámetro. Generalmente esta seguido a poca distancia por otro rango que provoca el mismo efecto en la zona sin turbulencia. Provocan dicen menos resistencia que un turbulador de diente de sierra. Los he provado so forma de pequeños cubos de balsa 1x1 en una maquinita muy ligera. La estabilidad del modelo indicaba un buen comportamiento de la capa limite pero el perfil y el alargamiento débil no permitían decidir de la eficacia. Hubiera que hacer pruebas comparativas antes y después de pegar las puntillas. Se pueden usar en alas cubiertas de papel o tejido. No obstante no se usan mucho. Los modelistas que prueban los perfiles de Brian Eggleston dicen que se pueden usar con éxito en esta clase de secciones, recomiendan probar espacios grandes entre las puntillas. Parece lógico puesto que los perfiles citados están calculados para un control de la capa limite laminar, seria el colmo de perder todo con un turbulador brutal tipo diente de sierra. Lo que se puede buscar es que se junten los conos de turbulencia provocada donde estaría una “controlada pero cierta” burbuja laminar. De otro modo se tiene que proteger lo que se ha ganado en resistencia a pequeños ángulos con el diámetro generoso del borde de ataque y el intradós en S. Estos perfiles están todavía en fase experimental y lo que se puede decir es ¡Prueben los!
Estos turbuladores de puntillas tienen un parentesco cierto con los dispositivos usados en las alas con barrido usadas tanto en transporte como en la aviación militar. El destino es diferente puesto que en este ultimo caso la zona de turbulencia sirve a controlar la circulación transversa y no una burbuja laminar.

LA IMITACIÓN DE LA BALA DE GOLF.
Pienso que están debidos a la tradición, del mismo modo que las costuras de las balas de hockey. Eso no impide que se reconoce su eficacia. Dando poca resistencia no los he visto nunca en la practica modelista. Veo como razón lo difícil que es su realización. Para alas sacadas de un molde se podría pegar en el molde un film dotado de medias esferas en relieve. En aviación y modelismo no hará falta mas de unos rangos de cavidades para obtener la turbulencia deseada.

LOS ESTADOS DE SUPERFICIE
En los Re de mas de 100.000 se recomienda un estado de superficie liso, hasta pulido aunque un acabado mate puede ayudar a la transición. Para los Re muy pequeños un estado de cierta rugosidad no viene mal. Papel, tejido sin pintar, papel de lija son unos medios de provocar y mantener la turbulencia y de mejorar la adherencia de la capa limite. En muchas alas delta se ve una tela mas grosera en el borde de ataque, tipo tela de lona. Es la funda del refuerzo de BA que esta realizada en esta tela. Los hilos de refuerzo son aparentes. En los Wakefields se notan unos BA realizados en tejido de fibra de carbono. En el caso del modelo de Kulakovsky y Andriukov este tipo de encofrado va junto con un BA discretamente chato. Este modelo no comporta turbulador, se entiende porque.

LOS LOCUST GROVES DEL GABINETE LAROCHE
Noten que las alas de los insectos están muy poco regulares, y que las alas de las langostas son de una eficacia rara, siendo incluido capaces de planear. Pues el gabinete LaRoche a presentado hace pocos años un dispositivo inspirado en unos detalles de las alas de estos bichos. ¡Según LaRoche no es un turbulator! Sin embargo estos canalitos inclinados de 60º, el pequeño relieve de separacion y la profundidad generosa de los canales dan a pensar que provocan turbulencia. No se ha demostrado en la practica la utilidad del dispositivo y no aparece mas en la web. ¿La falta de éxito de los WingGrids que eran el destino natural de los Locust Groves sera por algo en esta desaparición?

LAS JOROBAS EN EL BORDE DE ATAQUE TIPO BALLENA
Estudios destinados a mejorar el rendimiento de los molinos eólicos han conducido a establecer un borde de ataque con protuberencias a la manera de los alerones de las ballenas. Los resultados parecen interesantes, las aspas siendo mucho mas difíciles de construcción, aumentar la superficie de barrido del molino siendo tan fácil, dudo de que veamos muchos molinos eólicos con aspas de ballenas, pero experimentales en aviación ultra ligera y modelismo serián interesantes.

ASPIRACIÓN Y SOPLADO
Los laboratorios estudian con mucho interés dispositivos de aspiración de la capa limite y comparan los resultados con lo de soplar la. Eso necesita una fuente de aire a presión. Aunque la energía gastada en eso sea débil, no lo podemos pensar para un modelo ni para un HPO. Nos interesán mas los dispositivos soplando al extradós aire viniendo del intradós, de donde se puede sacar bastante presión alrededor del punto de separación. Así los “pitots”, con un diámetro que se va reduciendo introducen aire con bastante velocidad un poco antes de la zona de separación y de la burbuja laminar que la sigue, para impedir su formación. Eso es sin duda un turbulador. Tiene su propria resistencia. El sitio de la entrada puede favorecer una progresividad de la acción. Así poniendo las entradas donde hay mas presión a grandes ángulos el efecto de soplado va disminuyendo cuando el ángulo se reduce y que la burbuja laminar se reduce. Eso me parece conveniente para un perfil clásico de restitución cóncava (se comentara luego). Con un perfil laminar, a ángulos elevados el BA de diámetro débil provoca bastante temprano la turbulencia. Interesa entonces soplar la capa limite poco antes de la burbuja que se forma a la transición pero solo a ángulos muy moderados antes de que le perfil se vuelva totalmente turbulento (algo como 6º para el FX 62k153, seguramente mas tarde con los perfiles mas recientes GAW, Bertin etc. que tienen un diámetro de BA mas generoso). Unos planeadores de F3B tenían conos yendo del intradós al extradós, saliendo a 50% por agujeros de dimensión milimétrica.
Pariente pero solo en apariencía, el dispositivo de Murray no es un turbulador, al contrario. Intenta reducir el grosor de la capa limite por aspiración. La fuente de aspiración es el extradós cerca del BA. Es cierto que los agujeros de BA soplan, todo el arte siendo de hacer que no soplen hasta el punto de volverse a turbuladores. Murray y Howes pensaban en un dispositivo cerrado por una tela.

En el caso del Orni y del Wakefield de alas batientes cuyos alerones tendrán un perfil abierto al borde de fuga (como cualquier delta, no hay ningún escándalo) pienso soplar el extradós y alimentar el borde de fuga al intradós, poniendo el interior del ala a la presión del BA. ¡A ver lo que da! El aire de presión alta del interior del ala no se queda así, acelerando pierde presión. Ya he visto dispositivos de soplado de BF en deltas, al parecer es una solución para acercar las presiones de extradós y de intradós cuando se van a reunir, eso siendo el punto flaco de los perfile de simple superficie, sea solo del 90%, y mas si son del 50% por arriba tal como el SmartBird de Festo. Notaran que el perfil de Festo estudiado en Goettingen tiene un reflex o mas bien una larga contra curva al BF. Es otra solución generalizada en los deltas.

TURBULADORES DE INTRADÓS
Se olvida a veces del intradós. A pequeños ángulos se tiene que plantear el mismo problema de transición con eventual burbuja. A menudo un hilo es necesario para tener un buen comportamiento en la aceleraciones.

CONCLUSIÓN
Cada ala, cada perfil es un mundo y no basta la inventividad ni el conocimiento abstracto. La regla absoluta es que hace falta experimentar para estar seguro del resultado. El sitio donde se implantan los hilos es un buen ejemplo de esta búsqueda. La facilidad con que se cambian de sitio explica su éxito en la practica. Para el Wake la sección elegida (BE 9745) y la profundidad del ala al centro (160 mm) hace pensar que un turbulador no sera necesario, pero en las partes distales si probablemente hará falta tal dispositivo. Aunque también una evolución del perfil puede evitarnos la resistencia de un turbulador.

martes, 14 de junio de 2011

¡NO SON ORNITOPTEROS!

Pero miren a estos ingenios o maquinas de viento del artista Theo Jansen. Copien en sus browsers esta dirección :
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=HSKyHmjyrkA
O den un clic en el titulo ¡Da lo mismo!

miércoles, 8 de junio de 2011

Caracteristicas tecnicas del Smartbird.

www.festo.com/bionic
Technical data
Torso length: 1.07 m
Wingspan: 2.00 m
Weight: 0.450 kg
Structure: lightweight carbon fibre structure
Lining: extruded polyurethane foam
Battery: lithium polymer accumulator, 2 cells,
7.4 V, 450 mA
Servo drive: 2x digital servo unit with 3.5 kg actuating
force for control of head and tail sections
2x digital servo units for wing torsion,
with 45 degree travel in 0.03 s
Electrical power
requirement: 23 W
Microcontroller: MCU LM3S811
32-bit microcontroller@50 MHz
64 kByte flash, 8 kByte RAM
Radio transmission: 868 MHz/2.4 GHz two-way radio transmission
based on ZigBee Protocol
Motor: Compact 135, brushless
Sensors: Motor positioning 3x TLE4906 Hall sensors
Accelerometer: LIS302DLH
Power management: 2x LiPo accumulator cells with ACS715
voltage and current monitoring
LED activation: TPIC 2810D

EL VUELO DEL SMARTBIRD

martes, 7 de junio de 2011

¡RECAPITULEMOS!

Por fin me doy cuenta del hecho que esta bitácora ha sobrevolado muchos problemas y que llegados a este punto mis amigos y lectores pueden haber perdido el hilo … de Ariadna, ¡Toma ya! ¡Otro medio de salir del Laberinto ! Puesto que en el fondo, eso es el verdadero problema.
Desde el pequeño histórico y la descripción de un orni biplano y parcial hubo incursiones en dominios tan alejados como la historia de la aerodinámica y el interés del motor de vapor directamente usado en modo alternativo, sin olvidar el análisis del Snowbird y otras cosas mas.
¡Entonces, recapitulemos!
El vuelo batido esta usado en la naturaleza por los insectos, las aves y los mamíferos. Hubo grandes reptiles voladores como Quetzalcoatlus Northropi, que no era dinosaurio pero pariente de estos (¡las aves son mas “dinosaurios” que los pterosaurios!). No perdamos de vista que era prácticamente imposible de hacer otra cosa que de batir las alas. No esta fácil para la naturaleza de trasformar el trabajo muscular en movimiento rotativo. Eso el hombre lo obtiene de sus mecánicas pero la evolución no ha podido. ¡Mentira! Hay un pez de las grandes profundidades que tiene una suerte de caña de pescar girando para atraer sus presas. Pero ni hablar de entrenar un hélice, este pez se mueve con su cola como los demás. Por supuesto los animales que “buscaron” el despegue y la propulsión no encontraron otra solución que de batir las alas. Hubo muchas tentativas y fallos hasta que los animales voladores sean simplemente eficaces sin mas. Luego vinieron animales de mejores prestaciones. No obstante las maravillas que vemos en el cielo no son milagros para nada. Tenemos que descartar en particular la idea de un rendimiento excepcional. Los animales a menudo tienen músculos mucho mas potentes que el hombre, es el caso de los reptiles y de las aves. Se dice que un chimpancé tiene en los brazos hasta 7 veces la fuerza de un hombre de mismo peso. Igual, si descubrimos el secreto de las ascensiones casi verticales de las palomas (¿Wake Capture?), queda cierto que la mejor aerodinámica posible no restara nada a la energía necesaria para subir. En el caso de un vehículo de motor humano el ejemplo siguiente dará la medida : la potencia necesaria para subir una pendiente de 10% a 10 m/s es de un CV, es decir 750 W para un hombre de 65 kg montando una bici de 10 kg. Eso si no hay resistencia del aire ni de rodamiento ni de transmisión. Esta potencia un atleta entrenado la desarrolla durante poco tiempo. A consecuencia cuando tengamos la avioneta muscular la mas eficaz, ¡imaginemos que se pueda mantener en vuelo horizontal sin ningún esfuerzo! quedara muy difícil de subirla a 30 metros en un tiempo razonable. No buscare soluciones al problema hoy, el tema era solo de darse cuenta de su dimensión.
Creyendo que las aves han resuelto satisfactoriamente la cuestión de los movimientos que se deben realizar observo que no solo baten las alas pero tienen un barrido. Eso lo veo observando los pájaros de nuestras ciudades, vencejos y palomas en particular. Sus alas son bastante rígidas, probablemente hay un cambio de diedro con un desfase así que en el caso de muchas aves salvo los colibrís, pero no es lo que mas se nota. Otras aves practican un planeado muy corto durante la subida, es el caso de las golondrinas. He visto cigüeñas subiendo sus alas con sus primarias cerradas cuando las águilas las tienen abiertas durante las dos fases, testimonio de que queda sustentación en todo el ciclo. Y sin entrar en mas detalles me gustaría convenceros de que hay varias maneras de batir las alas. Cada ave tiene ademas varias maneras de volar, el batido es bien diferente según despega, vuela rápida o lentamente.
Necesitamos entonces un acercamiento bío-mecánico pero puesto que el objeto no es ni un insecto ni un reptil del secundario ni un ave ni un murciélago, no vamos a copiar la naturaleza pero buscar lo que da eficacia al vuelo natural. Sin embargo varios y numerosos críticos de nuestra investigación, pronto han constatado que ni los modelos experimentados hasta hoy ni los prototipos de Toronto han demostrado la eficacia del vuelo batido.
En eso Festo ha cambiado algo. El rendimiento aerodinámico del ingenio seria de 80%. Que pena que el pequeño motor eléctrico y sus ruedas dentadas hagan perder tanto para llegar a un honrado 45%. Pero de verdad si la misma maquina fuera propulsada por un hélice lento tendríamos resultados próximos o inferiores. 80% es un rendimiento nunca logrado por un hélice de modelo y se restaría lo mismo o poco menos en la reducción, en el motor (eficacia de 70% o menos) y en la restitución de batería. ¡Festo tiene el viento en popa! ¿Y por que medios? En relación con sus hermanos de ala membrana el SmartBird tiene 3 ventajas :

1/ el ala esta dotada de un perfil.
2/ el ala se tuerce tomando forma de hélice de tracción (o propulsión) a la bajada, y de rotor de molino eólico a la subida.
3/ el ala se dobla en diedro inverso a la subida con un desfase favorable a la continuidad de la sustentación. A eso se añade una mejora de la envergadura efectiva en fin de subida, cuando la sustentación crece de nuevo y que la resistencia inducida podría ser enorme. ¡Bienvenida entonces al desfase!
A mi juicio Festo cambia todo, confirmando lo que Jon Howes nos ha enseñado de los movimientos correctos del punto de vista del respecto de las leyes que conducen a una estela económica. Así repito lo que se deduce del análisis : para conseguir un ornitóptero eficaz hace falta que sus movimientos reproduzcan el desfase, la torsión y en la medida del posible (mas si se trata de una maquina grande y pesada) el barrido. También cuenta la realización, el ala en torsión no tiene que tener olas de revestimiento (ver lo que piensa Reichert según la entrevista publicada en el nº 158 de Aviación Deportiva a propósito del Snowbird) y encontrar soluciones a cada problema es un trabajo largo, trabajo de equipo según lo que pienso. Hará falta medios a este equipo, menos que a un equipo universitario pesado, es por lo menos lo que espero.
El otro punto importante que he desarrollado es que hace falta tener en cuenta en el análisis de un orni grande de movimientos lentos, de los altibajos que la parte central y el fuselaje hacen en sentido contrario de las extremidades. Si vislumbro lo que significa para la circulación, pues para la resistencia inducida, no escondo que no domino la cuestión. Y sin mas buscar en vano propongo una solución simple : reducir el ala batiente para tener una parte fija notable. Resulta que con el mismo “motor” se puede batir las alas mas rápido, lo que deja menos tiempo a la gravedad para sus acciones poco favorables y reduce la perdida de sustentación a lo que pierde la parte batiente. El ala fija se queda “grosso modo” con la misma fuerza des sustentación durante todo el ciclo. El efecto Katzmayer interviniendo, hará falta vigilar a que su efecto sea positivo. Por supuesto es un tema de estudios magnífico.
Por otro lado el parcial figura mejor la aplicación del ala batiente a maquinas grandes de un futuro alejado. No me atrevo yo mismo a imaginarlos pero otros lo piensan en serio. Transportes aéreos batiendo las alas, ¡Que locura! Aunque la vea utópica, la idea no me parece nada ridícula. ¡Ya veremos!
Hagamos de momento lo que esta a nuestro alcance. Fuera de las facilidades aerodinámicas que nos da es un aspecto positivo del parcial : dar mas facilidades de realización. Pronto sabremos hacer alas de modelos que funcionan perfectamente. Ya Festo lo hace con una piel de corcho de poliuretano y un a estructura de fibra de carbono reducida. Apliquemos tales alas a escala doble a un planeador ultra ligero. ¿Estarán demasiado reducidas como para dar la tracción necesaria? Mucho mas grandes que la astas de un hélice de HPA seguro que darán lo suficiente es decir dos veces la tracción necesaria al vuelo horizontal para compensar el tiempo muerto de la subida. En realidad esta ecuación simplificada tendrá que ser mejorada, pero nos queda útil para tener una idea del balance de las fuerzas en el tiempo. Lo que cuenta es la potencia del piloto o del motor y el rendimiento. Lo que cuenta es lo que pide la maquina para el vuelo sostenido sea un planeador con aletas, sea un ornitóptero completo. Es cierto que el “completo” aprovechara mejor la eficacia envergadura debida al vuelo batido. Las aletas distales estarán en buena posición para hacer que el ala fija lo aproveche tal como en el caso de los Winggrids, tal como lo hacen las plumas primarias de los rapaces. Darán buena parte de su propria eficacia envergadura a toda el ala.
Por otro lado esta ala muy flexible necesaria al rendimiento del ala batiente tiene que estar rigurosamente controlada. Las alas enormes del Snowbird estarían difícilmente tomadas en carga por el piloto. Puesto que Todd Reichert elige alas mas flexibles para un hipotético Snowbird 2, tendrían que incluir servo-motores. El caso se parece algo a la elección que debieron de hacer los constructores de aviones del principio del siglo 20. Los alerones que adoptaron en contra de la torsión preconizada por los hermanos Wright sirven todavía a minimizar las fuerzas necesarias a su acción. Las aletas modestas del parcial estarán rápidamente en el angulo de ataque necesario y pedirán poca energía para su control. La idea de un simple control de la flexibilidad que presenté antes esta por cierto criticable puesto que haría falta anticipar el endurecimiento yendo al encuentro de la perturbación. Una mezcla del control activo y del control de flexibilidad puede interesar para disminuir la carga energética debida a este control. Recuerdo que este control esta necesario tanto para el vuelo batido como para el planeado para eliminar una torsión indeseada y para reaccionar correctamente a una perturbación. Al mismo tiempo se constituye un control del eje de balanceo, muy necesario salvo a las 6 de la mañana. Mas tarde la avioneta se sale de la pista sin querer. Tengo que reconocer que hay buenos dos ejes, entre ellos los “Poux”, pero siempre queda algo de falta de control del eje de balanceo.
Esta manera de volar batiendo las alas no estaba al alcance de los pioneros de la aviación. La observación, los conocimientos adquiridos por Clément Marey, hubieran permitido una primera aproximación si se hubiera metido tanta energía humana en el vuelo batido como en el vuelo con ala fija. No fue el caso, entre otras razones porque se preparaba una gran matanza, la 1º Guerra Mundial. ¿Que os parece lo de poner un ametralladora en un ornitóptero? ¡Mas díficil que de sincronizarla con el hélice! ¿No? El ornitóptero de ataque puede que no exista mas jamas que en “Dune”. La salida hacia los MAV tampoco es tan cierta, ya que solo el estudio es de un coste prohibitivo. La realización puede ser mas costosa que la de una pequeña maquina de hélice o un quadricoptero. Sin embargo la ganancia en autonomía que dejan esperar los resultados de Festo tendría que interesar a los Estados Mayores. Me temo que no tengan mucho interés, o mejor dicho estaría encantado. “Mas litio, aun mas litio puesto que es la guerra” diría Groucho en tal caso. Tengo que decir que si soy marxista es a la tendencia Harpo que adhiero.
Al principio del siglo 20 la elección de materiales estaba restringida. Tenemos ahora tejidos elásticos, fibras, corchos de diferentes espumas, acero, aleaciones de aluminio, cerámicas. ¡Paro! La lista estaría interminable y no evoco los medios de animar a las alas, también van numerosos.
Estudiar tal maquina en un ordenador permite la optimización de las formas en plano, de las secciones y del movimiento para el mejor rendimiento. Por cierto un programa teniendo en cuenta una cantidad suficiente de posiciones y fuerzas elementales va a ser bastante pesado y pedir tiempo de ejecución o potencia de calculo. No obstante el trabajo se puede concebir.
¿Entonces? ¿Que es lo que nos impide hacerlo? ¿El actual marasmo? La innovación es un medio de salir de las crisis, me temo que a la hora del poder discrecional de los managers y financieros estos hayan determinado que el ornitóptero no gana ni un duro. A lo mejor pensaran en sostenernos cuando no habrá ni una gota mas de petroleo ni un gramo de litio. Respetuoso de los valores del humanismo no os incitare a la violencia, pero juntos podríamos darles vergüenza a los grandes decidores, en este tema y en muchos mas …
… Así, con su moral a la baja, unos podrían cambiar de rumbo. ¡Por lo menos es lo que me espero!

P.D. Mi proyecto de ornitóptero pilotado es un biplano por varias razones : buscando una resistencia inducida débil con una envergadura reducida, montado y desmontado fácil de elementos de tamaño reducido, y por supuesto, la parte fija teniendo que soportar los esfuerzos de sustentación y de tracción de las partes móviles distales, las alas de tal biplano próximo en eso al proyecto “Colab” se soportan mutuamente. Se notan las diferencias siguientes : hay poca o ninguna superposición al borde marginal ; el “Orni” no hace uso del “bucle” puesto que el alerón tiene que alargar una de las alas y porque pienso que la eficacia envergadura de tal biplano es de misma naturaleza que en el caso de los Winggrids y de las primarias abiertas de las aves ; ademas se le puede dar tales remeras para terminar una de las alas ; el diedro del ala trasera esta limitado así que su barrido delantero, el vástago de enlace esta sometido a mas esfuerzos que el panel o el medio túnel que reúne las alas del Colab, a cambio el efecto Nenadovitch se manifiesta en toda la envergadura ; y para terminar, estudiando los biplanos Nenadovitch desde 1980 estoy seguro de que los perfiles delantero y trasero tienen que ser diferentes : laminar en el ala delantera, con joroba avanzada en el ala trasera, así el venturi toma toda su eficacia para dar un ala profundamente laminar hasta Cz elevados, el ala trasera estando voluntariamente sacrificada puesto que trabaja en todo caso en aire perturbado. El proyecto comporta dos aletas batientes, ensayos y experiencias de simulación podrían quizás conducir a una disposición con 4 alas batientes en fase o en desfase.

sábado, 14 de mayo de 2011

DOS O TRES COSAS QUE SE DE ALAS

Estudiando a los planos del Wakefield … de alas batientes, me interese de nuevo a la cuestión de los perfiles. He vuelto a preguntar a Javafoil de probar unas secciones destinadas a las velocidades débiles juntas a dimensiones pequeñas, por adelante diré pequeños Reynolds o Re.
Primero he tenido que alejarme de los perfiles de Wakefield. Están optimizados para el planeado y presentan una resistencia enorme a pequeños ángulos. Extraño sin embargo puesto que al principio de la subida se utilizan ángulos muy pequeños. ¿Algo mejora el comportamiento de los perfiles en este caso? ¿Cavitación quizás? Pero algo se tendría que ganar en este terreno. Unos trabajan el tema tal el Canadiense Brian Eggleston, para tener una resistencia débil a pequeños ángulos sin perder sustentación. El mismo trabajo interesa a los planeadores “Nórdicos” o F1A. Secciones como el BE9745 y otras se están probando. Se podía creer que los Nórdicos no tenían que preocuparnos por su resistencia a velocidad elevada, la energía perdida viniendo del lanzador. Pero al final de la subida de lanzamiento están a velocidad muy elevada lo que es un aporte de energía que permite ganar unos metros cuando se suelta la maquina (que antes estaba en el mismo caso que una cometa). Bienvenido el grosor de 9% que permite tener alas ligeras y resistentes. Por otra parte las perturbaciones molestan el pequeño planeador, así que un modelo con menos resistencia a pequeños ángulos se recuperará mejor por tiempo agitado.
En cuanto a lo nuestro, para realizaciones cuyas alas pasan a sustentación débil a cada subida, las creaciones de Brian Eggleston son una buena noticia puesto que responden a nuestros requisitos. Da igual si el movimiento “por atrás” a la subida y “por adelante” a la bajada nos permiten limitar el cambio de angulo de ataque : bien probable que no baste de por sí para generar la tracción necesaria a una subida franca.
Estamos conscientes del hecho que los perfiles de Nórdicos no están exactamente adaptados a un modelo menor y menos pesado. No obstante limitando el alargamiento y con una dimensión suficiente en el borde marginal mantendremos los Re entre limites razonables. Por supuesto la restitución del motor tendrá que ser bastante lenta. Una subida vertical estaría fuera de nuestro enfoque de investigación sobre el vuelo de baja potencia y por otra parte la realización y el afinado estarían mas difíciles.
Notemos, con otro enfoque, que estas nuevas secciones van a cambiar el problema de los Winggrids que sufren de los pequeños Re en particular si se les quiere aplicar a planeadores muy ligeros o a HPA-HPO.
Puesto que he repasado para mi unos temas, les comunico lo que se en este dominio.

DEFINIENDO UNAS LINEAS

La linea mediana.
Esta va a determinar las características de sustentación del perfil. Si esta llana, corresponde a un perfil simétrico : NACA 0012 p. ej. Mas o menos curvada, aporta mas sustentación y permite mejorar las prestaciones a baja velocidad, en el caso de un planeador reduciendo la velocidad vertical, en el caso de un avión reduciendo la potencia necesaria al vuelo de crucero.
Se dibuja según criterios favoreciendo tal o cual calidad. Podría ser una porción de circulo, pero poco se encuentra el caso. O se dibuja juntando dos círculos de diámetro diferente, o la ley de esta linea esta mas compleja. Cada serie de perfiles NACA, de 4 cifras 5 o 6, tiene su propria ley de linea media así que su ley de grosor.
El ángulo de la linea mediana al borde de ataque y al borde de fuga son también dos valores importantes (luego determinan el tipo de linea mediana) para quien mira las secciones en vista a una elección. Los dos importan para la sustentación pero … si el angulo de la linea media esta fuerte al borde de ataque los pequeños ángulos de ataque estarán penalizados por una resistencia exagerada y si crece el ángulo de la linea media al borde de fuga, el momento del perfil estará fuerte lo que hará mas difícil la búsqueda de una buena estabilidad longitudinal.

Grosor.
Hará falta colocar un larguero en el ala. Pues si la sección es delgada el larguero pesara mas para la misma resistencia y seguridad. Sin embargo a primera vista son los perfiles delgados que convienen a pequeños Reynolds. Y nuestros ingenios, HPO, es decir ornitóptero de motor humano, ornitóptero levemente motorizado o modelos, están destinados a volar entre 20.000 y 500.000 Re en el régimen critico precisamente. La mayoría de las secciones de ala pierden drasticamente debajo de 1.000.000 Re y pocas se pueden usar debajo de 100.000 Re.

La curvatura del extradós.
Para tener secciones que no sufran demasiado del desprendimiento laminar y de la separación del borde de fuga se tendrá que dibujar una linea de extradós de curvatura moderada. No obstante en la parte central de un ala trapezoidal serán bienvenidos perfiles de mas grosor que van a dar mas espacio a un larguero muy solicitado. Es por eso que existen los Eppler 207 y 209, su pariente llamado 205 siguiendo cuando la profundidad disminuye. Eso dicho, se quedan perfiles de modelos grandes y pesados. No creo equivocarme diciendo que el 205 conviene con una cuerda de 200 mm, el 207 con 240 mm y el 209 necesitaría aun mas. Se emplea en todo caso en una porción reducida de la envergadura y su grosor favorece una construcción ligera. Estos perfiles han pasado un poco de moda pero valen todavía como ejemplo.

El intradós.
Con menos curvatura en el caso general, el intradós esta mas apto para enfrentar a los pequeños Re. Toda una evidencia en el caso de los perfiles de linea media con poca curvatura que van a tener un intradós laminar hasta muy lejos. Con un intradós llano el flujo pasara a turbulento algo mas temprano. En cuanto a los perfiles de intradós hueco se arriesga a que tengan mucha resistencia a pequeños ángulos y sustentación débil. Por eso los planeadores pilotados tienen un intradós en S. Pero hay pocos milagros, si el S esta muy acentuado la resistencia vuelve a ser grande con ángulos de sustentación débil. Del lado de los clásicos se puede notar que los FX 62k131 y k153 por un astuto manejo de las transiciones de extradós e intradós mantienen la resistencia siempre entre limites mas que razonables. Son secciones antiguas pero todavía dan buenos resultados. Constructores de modelos han adoptado el FX 62k131 con éxito para sus grandes planeadores. También los experimentadores del biplano “Colab” han usado estos perfiles sabiendo su comportamiento interesante cuando las alas están a poca distancia. Así mismo el experimento se acercaba del biplano grande, cuya versión ULM ahora vuela.
Muy diferente por el aspecto el UI 1720 logra lo mismo o algo que se acerca. Su intradós hueco tendría que penalizarlo a sustentación débil, pero no, el “drag bucket” se alarga hasta casi Cz 0. ¿Como? Gracias a un borde de ataque muy elaborado, a una curvatura de intradós bastante moderada, ademas por ser laminar a 20% a lo largo de todo su dominio de uso, tiene la ventaja de tener un extradós turbulento a 80%. Y eso le da mejor comportamiento a los grandes ángulos de ataque. Planteo una pregunta sobre su “Gurney Flap”, es decir la pequeña cosa que nace cuando uno cierra su borde de fuga. Este apéndice le vale resultados extraordinarios en simulación. ¿Lo mismo pasa en lo real? En todo caso solo hace falta ver lo que dan sus parientes y derivados en los deltas, y ¿como no? en el Swift. Es cierto que no son exactamente unos UI 1720. Hizo falta hacer algo para que entren en el dominio de los 1.000.000 Re y por debajo. La definición original del UI 1720 no le permite bajar de 2.000.000 Re. Por otro lado pierde un poco de interés pasados 6.000.000 Re. Con menos curvatura de extradós y transición provocada puede bajar hacia 500.000. Con las coordinadas originales, Jon Howes lo ha usado con exito en un experimental de barco con “velas rígidas” dotado de un turbulator de dientes de sierra. Buen ejemplo de que una sección puede difícilmente ser universal, ¡Salvo el Clark Y que se ve en toda parte!

Radio de borde de ataque.
Es la zona del punto 0. Aquí empieza la aceleración. Para mantener largo tiempo la capa limite en régimen laminar hará falta limitar esta aceleración y a consecuencia reducir el radio del borde de ataque. Pero cuando el ángulo de ataque estará algo mas elevado este pequeño radio tendrá el efecto contrario, provocando una fuerte aceleración. La capa limite pasara en régimen turbulento muy temprano. No obstante un radio de borde de ataque mayor fatigando la capa limite a ángulos moderados hará perder esta característica que se llama laminar, y por otro lado reducirá la capacidad a resistir a los pequeños Re. La solución esta en un compromiso.

Perfiles laminares.
Considerando que conocen las características que diferencian una capa limite laminar de otra turbulenta, voy a expresar unas dudas. Mucho se dice y demasiado se espera de los perfiles laminares. Cuando uno profundiza la cuestión se da cuenta de que estos perfiles lo son solo a pequeños ángulos de ataque. La apelación tiene que ser controlada. En todo caso solo se aplica cuando la capa laminar se extiende sobre unos 60% o mas de la cuerda en un dominio de vuelo con sustentación, por ejemplo con un Cz de unos 0,4. En la curva de los Cz relacionados con los Cx, esto se manifiesta por lo que se llama un "drag bucket", bajada característica de la resistencia que proviene en general de que el extradós y el intradós están al mismo tiempo profundamente laminares.
Si aumenta el ángulo de ataque el extradós pasa en régimen turbulento. A ángulos reducidos lo mismo pasa con el intradós. Pero sería falso creer que todo esta perdido : una capa limite turbulenta esta bienvenida puesto que permite que crezca el gradiente de velocidad entonces la sustentación o la destrucción de sustentación en el caso del intradós.
Notar, “contradicción de la contradicción” que el celebre Clark Y estaba a punto de merecer la apelación salvo que su intradós llano pasa a turbulento cuando el extradós esta profundamente laminar. No obstante tiene un pequeño drag bucket. Ningún perfil laminar que conozca es laminar a 100%.

Perfiles super-críticos.
Las necesidades de la aviación comercial han conducido a estudiar secciones cuyo numero de Mach local es lo mas débil posible delante del numero de Mach general. Los perfiles super-críticos tienen pues leyes de aceleración muy prudentes, sobre todo al extradós puesto que el Cz de estos aviones se queda relativamente elevado incluido a velocidad elevada, consecuencia del vuelo en altitud. Pueden tener una idea de a que se parecen estos perfiles consultando el catálogo de Michael Selig, UIUC airfoils data base. ¡Mas de 1500 perfiles! Miren por ejemplo los perfiles de los Boeing 707 y 737. Pero desde estos orígenes bastante lejanas se ha establecido una moda de los perfiles super-críticos y nuevas secciones mas o menos laminares han sido creadas para la aviación general. Así se ha visto aparecer los Withcomb del creador de los “Winglets” del mismo nombre, el GA(W) 1 y el 2 para aviones y avionetas de uso general. ¡Pero cuidado! A menudo los Withcomb se han visto aplicados fuera de su dominio de Re o (y) la realización aproximativa no ha permitido reencontrar los resultados del túnel de viento. De ninguna manera se aplican a nuestros proyectos ultra ligeros. Se pueden encontrar con el nombre de LS 413 y LS 417 en el catalogo del UIUC, para quien quiere estudiarlos.
Sin embargo las creaciones de Brian Eggleston, BE-9049-9050-9749-9750, se definen como CLF es decir de control del flujo laminar y tienen un común con el concepto super-critico aplicado fuera del dominio trans-sónico. Tienen radios de borde de ataque superiores a lo que se ve en los demás perfiles de modelos y su curvatura de extradós muy prudente “recupera” una capa limite trabajada sin demasiado exceso. Se han creado en 2008, están todavía en experimentación. Prueban que la vía de la transición natural esta posible. Lo que se puede temer es un poco de histérisis. La cosa se pone un poco complicada y no entrare en el tema. Se encuentran publicaciones de Selig en la Web. En la practica la histérisis se cura provocando turbulencia precoz. ¡Que pena! ¡Pero si hace falta! Quizás se pueda conservar el centro de alas con transición natural o usar turbulatores de poca resistencia propria.

Los perfiles Liebeck.
En el mismo enfoque de control de la capa limite laminar … ¡durante un cierto tiempo! Liebeck, Lissaman, Chen y probablemente otros muchos mas, han buscado lo que podría ser un perfil de alta sustentación, resistencia débil, y de poco momento. Apuesta imposible dirán ustedes con razón. No obstante han buscado. Pocas aplicaciones a primera vista. El HPA corta césped de Taras Kiceniuk tenia un Liebeck para su ala baja destinada a aprovechar el efecto de suelo tanto como se pueda.
Lissaman dibujó el l 7769 para el equipo del Gossamer Condor, y este coresponde mas o menos al mismo concepto, aplicado con moderación. El UI 1720 tiene un aspecto muy diferente, debido sobre todo al que su joroba esta a 20% y no a 30% como el Lissaman, pero les veo bastante parientes. Finalmente es lo mejor de lo que ha salido del concepto Liebeck, y han dado las buenas aplicaciones concretas.

AHORA : LA FORMA EN PLANO

La busqueda del mejor perfil para un uso determinado es muy legitima y necesaria. Queda por saber que en muchas condiciones de vuelo las prestaciones del perfil no van a estar muy importantes delante de la resistencia inducida entre otras cosas. El caso se da en particular en condiciones de vuelo lento, cuando se busca la velocidad vertical minima o la menor pendiente de caida. Así, aunque las pequeñas cuerdas hacen bajar las prestaciones de los perfiles, los modelos llegan a tener alargamientos enormes. En sus condiciones habituales de vuelo orientadas hacía la Vz mini para mas duración del vuelo, la resistencia inducida tiene el papel dominante.
¿Vamos a hacer lo mismo para nuestro Wakefield-Pajaro? No creo que nos valen alas de 180 cm de envergadura terminandose en un borde marginal de 6,5 cm. Serían incomodas en vuelo batido. Ademas el batido va a dar a las alas de nuestro modelo un alargamiento fictivo y una vez lograda una relación de planeado (aplicada al vuelo batido) de 10 o 15, apenas se va a ganar por tener un pelín mas. ¡Pero si, se puede perder batiendo las alas de manera incorrecta! Eso lo digo en relación con el tema del rendimiento de propulsion. Así muchas aves vuelan economicamente con alargamientos de 7 o poco mas, las alas dotadas de sistemas no planares dando mas envergadura efectiva (plumas primarias abiertas) y las alas de gran alargamiento sirven principalmente a los planeadores : cigüeñas, aguilas, buitres y por otro lado aves marinas. Para no quedarnos cortos en la fase de planeado propongo un alargamiento de 10. Tal sería el caso de un ala de 130 cm de envergadura y de 13 cm de cuerda media pero tendría una superficie algo excesiva para ser Wakefield. No estamos todavía construyendo una bestia de concursos y ademas la envergadura proyectada estara inferior con el diedro que vamos a dejar en planeado. Así si fueran de simple trapecio las alas tendrían una cuerda maxima de 16 cm y un borde marginal de 10 cm. Rebajamos esta ultima dimension a 9 cm lo que nos permite tener una forma en triple trapecio sin aumentar la superficie.
Tendremos una parte central fija, no que sea necesario para un modelo de dimensiones todavía reducidas pero porque nos esta cómodo para colocar el mecanismo de batido y hacer que casi todo este interno. Por otro lado la carga alar reducida va a conducirnos a un batido lento y los fenómenos de "heaving" van a tomar una nueva importancia. Aunque el "parcial" no soluciona completamante el problema confio en que resulte mas facil tratarlo así. Por supuesto el ala batiente sera relativamente mas grande que en el "Orni". Propongo que la parte central y la del batido vertical tengan un borde de ataque sin barrido y un barrido delantero del borde de fuga. La parte extrema tendra un barrido variable, delantero a la bajada, trasero a la subida. Cuando se bloquee el movimiento para el planeado el diedro entre parte central plana, segunda en ligero diedro y tercera bloqueada tambien con algo de diedro, dejara un ligera torsión negativa del borde marginal. Ademas y para completar la forma del trapecio se podra evolucionar el perfil con un poco menos grosor y una curvatura de linea media homologa pero rebajada. Así la repartición de sustentación estara globalmente correcta. No veo la necesidad de entrar en calculos puesto que para optimizar un ala batiente haría falta un programa de analisis en muchas posiciones consecutivas que no tenemos todavía. Así nos quedaremos contentos con una aproximación dando algo menos sustentación en las puntas que para una maquina de alas fijas, eso quiere el vuelo batido, pero no demasiado ... lo exige el planeado siguiente.

lunes, 28 de marzo de 2011

LA AERODINAMICA NUEVA HA LLEGADO

También ha llegado el vino nuevo.
Cz inmediato y separación retrasada.

La aerodinámica no-estacionaria promete unos Cz inmediatos muy elevados. Por definición solo valen para tiempos cortos y no hace falta olvidar que se producen con angulos de ataque elevados. Si no me equivoco a 45º Cz y Cx teórico tienen valores iguales (el Cx real en régimen estable esta por encima). En este caso con un Cz de 4 tenemos un Cx de 4 y mas. Para el vuelo de los insectos y de los colibrís es un mero detalle. Para el vuelo económico de grandes y muy grandes “aves” es un lastre catastrófico.
Por otra parte Alfred Jabes en las publicaciones del URVAM, en “El vuelo natural” en particular, se apoya en afirmaciones de Marcel Chabonnat sobre la “finura infinita” en el régimen transitorio. Dicen:

“Relación de planeado transitoria”
“Daremos la máxima importancia a la siguiente afirmación de M. Chabonnat:
Cuando un ala empieza un movimiento en un fluido inmóvil la mitad de la sustentación se establece instantáneamente y crece luego hasta llegar a su valor del régimen permanente.
En el mismo tiempo la resistencia que esta nula al principio crece según la raíz cuadrada del tiempo.
Basta entonces quedarse en el régimen de flujo no-permanente para mejorar las cualidades del ala.
Al principio la finura esta casi infinita y se reduce con el tiempo para llegar a su valor corriente cuando el flujo permanente esta instalado.
Entonces hace falta romper el flujo periódicamente para aprovecharse de las propriedades de los flujos no-estacionarios. Esto es lo que hacen las aves desde tiempo ya.”


Esto da las ganas ¡La verdad! Basta solo batir las alas para que ocurra. ¿Y si por las dimensiones de la maquina, por las fuerzas en juego, las del piloto por ejemplo,solo llegamos a ritmos muy lentos? ¿Que es lo que queda del maravilloso fenómeno? La ganancia sera mas débil a cada vez que el batido sera mas lento y que la resistencia estará volviendo a galope, es decir según la raíz cuadrada del tiempo. Supongo que la afirmación de Chabonnat y Jabes vale para la resistencia de forma, y para la resistencia inducida de mayor importancia en el balance de las fuerzas que se manifiestan en una aeronave, excepto los planeadores de clase libre, ETA y consorte que la han reducido tanto como puedan. Pero el argumento del remolino inicial repetido no me ha convencido todavía totalmente, tengo que estudiar mas.
En realidad no me preocupo! El regalo de la naturaleza esta bueno. Picoteemos unos instantes de resistencia nula. No obstante si el fenómeno es del máximo interés, concierne los insectos y los pequeños pájaros. Entonces los MAV y otros drones están de la fiesta.
Por supuesto el “colibrí” de AeroVironment se aprovecha de las ganancias de los Cz instantáneos elevados, pero su sustentación esta debida también a todos los fenómenos del abanico, fuerza Magnus, centrifuga y resistencia a 90º. Si el batido es rápido y lo es, la resistencia estará baja, salvo la “mecánica”, la del Cx teórico mínimo que en el vuelo estacionario esta por los topes.

Re-Captura.
Ya el ingeniero y etologo E.Oemichen en la mitad del siglo pasado suponía que los animales se servían del remolino como apoyo recuperando parte de la enegia que contiene. Eso supone una sicronización difícil de imaginar. Que los animales con su lujo de sensore la logren, bueno, pero que pueda servir a un ornitóptero lo dudo. En todo caso no se puede contar con eso en vuelo de translación.

Limites del uso de la aerodinámica transitoria.

En eso de concebir una maquina que se aproveche de la mejor manera de las bondades de la aerodinámica transitoria, me quedo corto por lo menos en la perspectiva de un ornitoptero con piloto. Uno se queda con las pequeñas maquinas que baten sus alas con frecuencia elevada, otro acepta el ornitóptero parcial por las buenas o por las malas. Si no, los fenómenos no-estacionarios que duran un instante por definición no van a ayudar mucho a un Snowbird perezosamente parcial o a otro que le siga, ¡Si algien quiere seguir la orientación dada el ingenio canadiense.

Otro problema, Strouhal.

Alfred Jabes también nos llama la atención sobre el nombre de Strouhal y dice:
“Sin embargo en teoría Villat y Karman dicen que en régimen estable la relación sin dimensión A/VT= 0,28 donde
A es el amplitud,
V es la velocidad horizontal del desplazamiento,
y T el tiempo de un periodo”…
(pues Jabes no ha terminado la oración, entonces se supone que quiere decir “se da constancia de que la relación de Strouhal estabilizada a 0,28 St favorece el rendimiento.” Y sigo citando:)
“Eso se confirma por la observación de los peces: da la casualidad de que los peces nadan con un nombre de Strouhal: A/VT= 0,30.
En fin, personalmente, cuando valores fidedignos se han podido usar, sea para para los insectos, sea para las aves, sea igualmente para la maqueta volante del pterodáctilo de Mac Cready, hemos encontrado valores muy cercanos a 0,28 también para el True-Fly.
Noten: A/VT=0,28 . Si se tiene en cuenta que A=v.T/2
donde v es la velocidad vertical de bajada o de subida de las alas, se deduce que
v/2 V=0,28”.

Esta muy bien confirmado el hecho que detrás de un cilindro en movimiento o rodeado por una corriente el fluido esta perturbado de tal manera que se constituye una avenida de remolinos de Karman en su estela. Su ritmo depende muy poco de la turbulencia y de los Reynolds. Strouhal había oído que los cables del telégrafo “cantaban” y sus medidas daban un St de 0,20 o casi. Todo el mundo detrás de el ha encontrado siempre 0,20 St en el aire. También se obtiene este valor en simulación. En otros medios sería la cosa diferente. Dejemos de momento los peces, delfines y ballenas, no porque están en el agua pero porque nos preocupamos de los ornitópteros.
Da la casualidad que nuestras aves no siempre evolucionan en el dominio de 0,28 St. En la Universidad de Lund, Rosen, Spedding y Hedenström dan como “reduced frequency” del Avión Común (golondrina Delichon Urbicum) 0,31 a 4 m/s, 0,21 a 6 m/s, 0,15 a 8 m/s y 0,11 a 10 m/s. Sin embargo reduced frequency (k=Fc/V, donde c es la cuerda media del ala) y St no son lo mismo pero se pueden comparar en este caso porque el amplitud del batido se queda bastante constante. Ademas los datos completos permiten calcular el St. Entonces el ave pequeña vuela con un St de 0,21 a 4 m/s. En el resto de su dominio de vuelo esta a St bajos : 0,12 St a 8 m/s y 0,11 St a 10 m/s.
Puesto que suponemos que el fenómeno esta debido a la elasticidad del medio, tenemos que razonarlo en términos de acústica. Si se comprueba que 0,28 St es el colmo de la eficacia, se tiene que investigar como el ala beneficia de un acuerdo rarísimo entre el ritmo natural de la estela y el ritmo de batido. Mas me gustan los datos de Lund que enseñan un casi acuerdo a 4m/s y se acercan a un acuerdo ½ onda a 10 m/s. Haría falta trabajar con mas datos y ver si las cifras de Jabes, Villat y Karman se confirman o no. En todo caso el Avión no los confirma.
Eso dicho no creen que desprecio a Chabonnat y a Jabes. El primero me ha enseñado mucho y Jabes propone una hipótesis prometedora para cuando hemos entendido todo eso.

Los sistemas de sustentación altamente no-planares.

Tal es el titulo que Ilian Kroo da a su largo articulo describiendo los progresos posibles y probables en la aerodinámica de las alas. Considera que la reducción de la resistencia inducida es la vía mas prometedora.
Ilian Kroo tiene que gustarnos. Siendo todavía un niño o casi, El ha puesto su energía en el desarrollo de los primeros delta de estructura de bambú. Luego los estudió con mas medios y conocimientos y contribuyó a su evolución, pues eso le condujo a participar al nacimiento del Swift cuyas alas recibieron su toque de optimización. A la par demostró científicamente que un ala volante puede lograr resultados tan buenos como un planeador clásico. Antes los ingenieros consideraban generalmente que el planeador tipo Horten estaba en mala postura para hacer valer sus ganancias en resistencia parásita. Kroo supo hacer que la torsión sea a la vez estabilizadora y corresponda a la buena repartición de sustentación. Añadir a eso que los generosos winglets son a la vez los necesarios timones. Por esta razón primordial hacia falta superficies verticales. ¡Y de regalo aumentán la eficacia/envergadura, que bueno! El planeador Horten no estaba tan mal concebido, era necesario renunciar al fuerte afilamiento que le venía de los años treinta. El planeador canadiense BKB 1A al cual Kasper contribuyo algo, anunciaba este cambio en la concepción de las alas, también la Kasper-Wing, pero esta se menta sobre todo por sus timones que permiten guardar un control en condiciones de desprendimiento total.
El articulo de Kroo tiene fecha de 1994. A mi juicio era una incitación a que sus alumnos de Stanford profundizen uno u otro tema de la búsqueda de la reducción de la resistencia inducida.


Diedros
Sistemas cerrados
Alas en C
Biplanos y multiplanos
Estela no-planar de un ala planar


Para los cuatro primeros puntos reportarse a las ilustraciones. Noten que el caso de los biplanos esta visto solo en el caso de superposición de las alas. No se dice nada de los resultados con varias lineas de sustentación, caso que vamos a encontrar so otra forma en los WinGrids. Las cifras se han contrastado con las de otros trabajos y se confirman. Para el quinto punto Kroo cita dos ejemplos. Primero la estela no-planar de un ala planar con el borde de fuga curvado. La naturaleza prefiere los bordes de ataque curvos, ala de vencejo por ejemplo, entenderán que con algo de angulo de ataque los dos casos dan el mismo resultado de estela no-planar. Por otra parte hay el trabajo de Smith con los "split tips". Resumiendo ¡Un ala con dos plumas! Los cálculos clásicos dan en el caso del modelo probado una mejora de 5% y en realidad la ganancia es de 11% lo que ha deslumbrado los investigadores y les ha conducido a modificar sus simulaciones.

Los WingGrids LaRoche.

Tenemos en este caso en el borde marginal una serie de aletas que se revelan ser el sistema mas eficaz de todos los que se han propuesto. Las condiciones del éxito si se cree al Cabinet LaRoche son estrictas. Espacios inclinación secciones y Cz max de las aletas se deben seriamente optimizar. En las mejores condiciones una reja de envergadura y numero de elementos moderados (4-5 elementos de 25-33% de la media envergadura) puede multiplicar la eficacia/envergadura por 2 o 3. Uno se cree que esta soñando pero no, pruebas de modelos asimétricos en vuelo, pruebas de maquinas pilotadas, igualmente pruebas de modelos de vuelo circular, han confirmado los resultados. El mismo modelo de vuelo circular se ha probado con medidas de velocidad de partículas que confirman las pruebas anteriores. Es el borde marginal del ave realizado por técnicos. La verdad ¡Queda muy feo! pero funciona. ¿Entonces porque los WingGrids LaRoche no se han convertido en un dispositivo usual? ¿Avidez de royalties? Quizás pero creo que no, pienso mas en una cuestión técnica, el momento en la raíz estando en aumento (en relación con una maquina de mismsa envergadura) las consecuencias sobre el balance de masas pueden ser malas.
También hara falta esperar a que los constructores renuncien al transónico, puesto que si el Gabinete LaRoche propone una disposición apta al dominio de los 800-900 km/h, no me parece que el sistema pueda mejorar las prestaciones cuando la sustentación se logra con Cz débiles. Entonces el dispositivo es un lastre en vuelo de crucero cuando el avión no necesita mucha envergadura ni real ni efectiva. Tampoco los “winglets” son necesarios en crucero, pero cargan poco, ni en momento a la raíz ni en resistencia. Y permiten ganancias cuando el Cz esta elevado. En un ciclo de vuelo eso cuenta.
Tal como en el caso del “split tip” de Smith la teoría válida se revela defectuosa. Se habla de sistema no-Munk, de lineas de sustentación, del analisis en el plan de Trefftz. También la teoría en elaboración nota el incremento de altura del conjunto de aletas como fuente de una envergadura mas eficaz. La teoria Prandtl Munk tenía esta altura en cuenta para los biplanos. No es falsa para nada, simplemente ha logrado sus limites tal como muchas teorías físicas. Los investigadores han atacado el problema pero las condiciones sociales y económicas del principio de milenio no están a favor de avances teóricos. Los créditos van hacía avances concretos, no hacia la teoría. En todo caso el silencio se ha hecho pesado sobre este dominio desde el fin del siglo pasado. Sin embargo no es un “Secreto de Defensa” en todo caso menos que los “drones” que Yahoo enseña con mucha soltura. A lo mejor Kroo se dedica a construir un MAV, hace falta ganar su vida! El Einstein de la aerodinámica del siglo 21 no habrá nacido todavía, sin embargo le tenemos impaciencia.

Del ala fija al ala batiente.

Por cierto no he estudiado y escrito todo eso para enseñaros que las virtudes y bellezas del ala fija son inescrutables. ¡Tengo mas que decir y eso me viene de una “Iluminación”!
El otro día me ha venido una idea y he gritado “Por dios esta la cosa bien evidente, querido Watson”. El ala batiente no se satisface de crear un remolino inicial a cada punto muerto .... y mas en realidad, lo que seria favorable según Chabonnat y Jabes. Ademas por su cambio de diedro permanente es un sistema altamente no-planar. Explico: el remolino inicial se considera generalmente como un fenómeno que no chupa energía. Al contrario la estela, todo el mundo esta de acuerdo hace falta arrastrarla. Las alas no-planares extenden la estela sobre mas altura, lo que también hace a su manera el ala batiente.

Antes he insistido en esta columna en que la fuerza centrifuga modificaba la circulación transversal y así daba una eficacia envergadura aumentada. No esta tan simple en la subida de las alas puesto que entonces la repartición de sustentación esta posiblemente mala o muy mala, entonces hace falta el desfase para recuperar algo de eficacia envergadura. Esta ganancia que puede ser importante lo es mas si el movimiento de batido da a las alas una estela no-planar, y ¿Porque no? si se añade el efecto de un borde marginal no-planar tal como los grandes cuervos tienen … Y lo usan no solo a la bajada pero también a la subida, prueba de una sustentación mantenida durante esta fase en el vuelo económico.
Si se empieza a entender como las alas batientes pueden lograr altas prestaciones, entonces se puede empezar a construir experimentales interesantes que permitan hacer medidas altamente instructivas.

Eso permitiría que no nos quedemos estancados y demos un paso adelante en el sentido de ordenar nuestras vistas teóricas. Nuevos resultados, por ejemplo velocidad de partículas de modelos o animales en vuelo casi libre son menesteres para profundizar las teorías emergentes: lineas de sustentación, diámetro de los remolinos inducidos, altura del sistema de sustentación etc. Estos resultados servirían para el vuelo batido y para el ala fija de ultima generación para el vuelo económico.

Puesto que dejo el vuelo del colibrí a los militares. ¡Confirmado!

domingo, 27 de febrero de 2011

¡UN RETO!

El plano aparece mas grande cuando den un clic encima. Noten el logo del NSFK, bien de su tiempo. No se si Lippisch tenía complicidad con los Nazis, en todo caso no estaba mal visto. Emigró a EEUU despues de la guerra y metió sus conocimientos al servicio del Imperio victorioso.
Maquinita bastante simple, es solo uno de los modelos de ornitóptero de Alexander Lippisch, un parcial de 60 gramos de balsa, de papel y de tejido de seda, animado por un poco de goma. Volaba un minuto, mas o menos lo mismo que las pequeñas aves de Nathan Chronister actualmente. Mas tarde (en los 50) los hermanos Landes hicieron "La Mouette" con alas de movimiento cónico. ¡Resultado parecido!
Mirén el vuelo de un poco mas de un minuto del "Freebird" de Nathan Chronister y si les interesa construir un "Freebird" la dirección que sigue les dara o vendera todo lo que necesitán, planos gratuitos y hasta el kit del Freebird y goma de buena calidad. No tengan verguenza, hace falta empezar por algo simple.


Jon Howes en 1994 demostró con un "Indoor" de 15 gramos que se podían lograr los cinco minutos, eso gracias al ala articulada con desfase de la parte distal. Jon Howes comenta el evento en la lengua de Shakespeare, le traduci esta noche:
"era el primer día que salía el modelo y les enseño aqui su tercer vuelo,......"
"Aqui esta el vídeo de mi modelo articulado de 1994 en su primera salida. No estaba todavía afinado y sufría de una frequencia de batido demasiado elevada, la frequencia se bajo a unos 0,5 Hz y entonces la duración de los vuelos fue usualmente del orden de 4-5 minutos.
La presentación se hizó en el Atrium de las instalaciones de la "UK Civil Aviation Authority" en Gatwick donde trabajaba entonces (Jefe del departamento de Cargas y Dinámica de las Estructuras) hasta que empieze aeroDAC hace dos años (unos mas ahora). El succeso era el concurso anual de modelos indoor de Navidad."

El boceto que aquí publico es algo difícil de interpretación, pero un poco de atención permite desenredar la madeja. Enseña el doble dispositivo de sincronización, (las hojas de barril o arcos, como quieran) y el doble cigüeñal que da el desfase. Todo de balsa papel y poliester o algo vecino. Noten que el enlace del sistema de sincronización es virtual(!), son hilos de seda que entrenan los arcos. Ya he visto y usado esta articulación en un toca discos. No había seda pero laminas de acero ¡Clic en la imagen!

video
El éxito de Jon Howes fue total, se oye el entusiasmo de la asistencia. Batiendo mucho mas lentamente se obtuvo un mejor resultado: 4-5 mn de vuelo regularmente. ¡Con buena goma por supuesto!
Partiendo del éxito del modelo de 1994 Jon Howes ha desarollado el proyecto de ornitoptero de motor muscular que aquí esta figurado.


¿Y el reto entonces?


Pues ¿Conocen al vuelo libre ... de modelos? La clase reina es el "Nórdico" F1A, planeador sin control remoto de 400 gramos. Otra clase es de motor de combustion interna, 2,5 cc: F1C. Pero lo que nos interesa es el "Wakefield" o F1B. Pesan los modelos 230 gramos con el motor de goma de 30 gramos. La superficie alar maxima es de 17 dm/2 y la superficie total con el estabilizador de 19 dm/2, casi nunca se ha usado un estabilizador tan pequeño de 2 dm/2 pero de 2,5 si, y por eso los fuselajes son largos: para tener un volumen de estabilizador suficiente. El resto esta libre.

Aqui tienen a un modelo muy largo y de envergadura importante (1,50 m, mas o menos) orientado hacía las condiciones de poca turbulencía y el fly-off, pero otros modelos llegan a medir 1,80 m de envergadura. La formula ha sido cerada hace tiempo ya por el modelista y aerodinamico Gyorgy Benedek de Hungría. Benedek creo la sorpresa en 1958 con un modelo que revolucionó el Mundo del Wakefield: su solución sigue aplicada hoy en día. Verán en unos planos referencia al BE6156sn o a otros mas delgados para las puntas. No son secciones creadas por Benedek pero por Brian Eggleston mucho as recientemente. A menudo ahora los modelos siguen un plano evolucionado pero hace poco las alas rectangulares tenían todavía mucho exito.

Con estas caracteristicas los "buenos" suben a 50 metros de altura en unos 30 segundos. Los modelos destinados al tiempo tranquilo toman ventaja en el fly-off, ultimo vuelo de desempate que tiene lugar al amanecer o al atardecer. Con un tiempo motor mas largo, llegan a volar 5 minutos practicamente sin ascendencia. El clan de los competidores esta bastante cerrado, con sus productos de alto tecnicismo. Los encuentros son regulares y culminan cada año en un Campeónato del Mundo. La construcción, los perfiles, las aspas de hélices, evolutionan todavía. Las costillas de balsa reciben una fina lamina de fibra de carbono y el encofrado del borde de ataque puede ser de kevlar o de carbono. Hay temporizadores electronicos de muchas funciónes que programan el tiempo de retraso del aranque del motor, luego variaciones de incidencia del estabilizador y para no perder el modelo, provocan su bajada "paracaídal" con el estabilizador a 45º negativos.

Otro modelo del Este Europeo, mas clásico en sus proporciones. Una buena razón: es de 89. El encofrado del BA es de balsa tanto como el BA mismo. Los largueros son de madera algo mas dura. Dar un clic en la imagen par tenerla a dimensión. Mirén la pagina web indicada en los planos.

El plano del Canadiense Mathews enseña su elección de perfiles Eggleston, en evolución del panel central hasta las puntas para aguantar los pequeños Re de las extremidades. La construcción parece muy moderna pero la lectura de la leyenda resulta difícil.




¡Mi propuesta es de construir Wakefields-F1B de alas batientes!
¿Porque coño me echo por atras del proyecto de ornitóptero de motor muscular? Porque no tengo los 100.000 € que necesitaria el proyecto para dar un buen paso adelante. Con un pequeño motor la maquina podría pasarse de fibras caras, usar las aleaciones de aluminio. Resultaría mas barata, pero aún así no tengo para eso.
¡Entonces! No me queda otro remedio: experimentar algo pequeño. Y la clase F1B da un marco y unas referencias de prestaciones dificiles de conseguir, en breve un "reto".
El motor de goma es un acumulador simple, no tan barato cuando se busca calidad, de uso mas técnico de lo que parece, pero al alcance de la mayoría. Su ventaja principal sobre los acumuladores eléctricos y sus motores viene de que pasa de toda reducción. ¿Restitución mas lenta? Motor del mismo peso pero mas largo. Ademas la relación peso/energia acumulada es muy buena y el rendimiento de restitución, lejos de ridiculo: con buena lubricación algo como 80%. La restitución baja si se tarda en utilizarla. Eso hace que en los concursos los "pilotos" vuelven a veces a su puesto con el hélice girando. No han encontrado térmico y van a cambiar de motor, dejando descansar el del vuelo fallido o mas bien retrasado.
Nishizawa vencedor en 2009 llego al fly-off empatando con varios. Hizo falta un segundo fly-off sin limite de 5 minutos para desempatar. El Japones lo ganó con 328 secundos de vuelo, el segundo "falló" por 2 secundo.

La manera de tensar el motor de los Wakefield es por torsión. Tenemos otra oportunidad ya usada por Erich von Holst para su "Schwan": tensión sin torsión y recepción (de un cable) por una bobina cónica o de estantes. Holst usaba una bobina llana. Esta alternativa tendría que permitir un mejor uso del motor, menos riesgos de ruptura repentina y una restitución muy regular, la dificuldad viene del centro de masas que cambia con el movimiento del motor. El otro inconveniente es la sección frontal del fuselaje en aumento en relación con los delgadisimos Wakes. ¡Si hay problemas es que hay soluciones! Parece un dicho de Groucho Marx.
La madeja usada en torsión esta bien adaptada al modelo de hélice. ¿Como Lippish tendríamos que tener una doble madeja? Mas dificil de remontar, un motor tras otro por ejemplo. Aqui también hay soluciones: los motores pueden remontarse fuera del fuselaje, se hace en vuelo libre de hélice, CH 10 g, también muchos Wakes remontan así. Se puede entonces usar un fuselage mas delgado y mas ligero.
Aqui ven a una competidora de Wakefield remontando en un "tubo" que luego servira a introducir el motor en el fuselaje.








El Schwan de von Holst tenía la caracteristica de hacer trabajar la goma sin torsión. Si se usa esta disposición hara falta encontrar la manera de reducir la sección de fuselaje, por ejemplo usando una bobina vertical entre fuselaje y soporte de las alas y no horizontal como el del Schwan y usando un juego de poleas para limitar los desplazamientos del centro de masas. Los sectores a la Jon Howes tendrian que estar situados horizontalmente a la altura del empalme de las alas. Así los cables o tirantes podrían estar dentro de la estructura de alas.


Aunque el experimento esta modesto, dibujar y realizarlo pide atención y cuidado. Quedan por resolver muchos problemas particularmente con las alas: perfiles, revestimiento, estructura y que todo sea deformable y resista a muchos vuelos. Tambien quedan decisiones por tomar sobre el grado de flexibilidad de las alas, (y)o su control.
Nada impide pensar, con apenas mas goma de tener un control remoto. Nada prohibe seguir haciendo una versión reducida del Orni con sus cuatro alas partialmente fijas, y unos alerones para propulsión y sustentación.
Y tal proyecto destinado a explorar el vuelo batido económico nos aleja de la orientacion del DARPA y de los militares.