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.

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