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!