Optimización paramétrica de las características aerodinámicas de una aeronave de configuración geométrica no convencional definida con alas convergentes

Pérez Álvarez, Javier (2017). Optimización paramétrica de las características aerodinámicas de una aeronave de configuración geométrica no convencional definida con alas convergentes. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Aeronáuticos (UPM) [antigua denominación]. https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.45543.

Descripción

Título: Optimización paramétrica de las características aerodinámicas de una aeronave de configuración geométrica no convencional definida con alas convergentes
Autor/es:
  • Pérez Álvarez, Javier
Director/es:
  • Cuerno Rejado, Cristina
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Aeronáuticos (UPM) [antigua denominación]
Departamento: Aeronaves y Vehículos Espaciales
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

En los últimos 50 años una de las principales áreas de innovación en el campo del diseño aeronáutico es la búsqueda de mejoras que optimicen la eficiencia aerodinámica, la eficiencia estructural y el peso de la aeronave. Hasta la fecha, muchos de los avances destinados a la mejora de estos parámetros, en la aviación comercial, se han realizado conservando la configuración convencional, es decir, aeronaves de fuselaje esbelto, alas en situación media o baja, estabilizadores vertical y horizontal unidos al cono de cola y motores montados bajo ala o unidos en la parte trasera del fuselaje. Por otro lado existe una alternativa que pasa por apostar por el desarrollo de configuraciones geométricas no convencionales, las cuales ya son consideradas como opciones reales por las grandes empresas aeronáuticas. Es este el caso de un modelo de configuración no convencional, denominado avión de alas convergentes, que consiste en un diseño que utiliza dos alas, una delantera y otra trasera ambas unidas en tándem de tal manera que tienen forma de diamante tanto vistas en planta como en alzado. A juicio del autor, es un reto conseguir que las compañías aéreas sean partícipes en favorecer el entorno social para hacer atractivos al pasajero cambios tan significativos en la morfología de las aeronaves. Sin embargo existe una alternativa con mayor predisposición a la implantación de estos cambios como es el caso de los sistemas de aeronaves no tripuladas (UAS). Este sector es uno de los más dinámicos dentro de la industria aeroespacial, y se prevé que el mercado sea el doble en una década, por lo que esta situación hace de estos sistemas un marco excelente para la investigación, desarrollo y ejecución de nuevas configuraciones, no convencionales, más fáciles de implementar que en la aviación comercial. Con esta idea, se ha realizado la optimización aerodinámica de una configuración geométrica no convencional del tipo de alas convergentes, realizada por medio del estudio paramétrico de diferentes configuraciones de modelos físicos de ensayos. Cada modelo de ensayo está caracterizado por parámetros geométricos que definen la posición relativa del ala trasera con respecto a la delantera, estos parametros pueden sustituirse por variación en los valores del ángulo diedro y ángulo de flecha de dicha ala, permitiendo, así, la definición de 25 configuraciones de ensayo diferentes. Para la medida de los coeficientes aerodinámicos del sistema se ha realizado ensayos en túnel aerodinámico, donde los datos presentados corresponden a los coeficientes de sustentación, CL, resistencia, CD, resistencia inducida, CDi, parámetro de potencia mínima requerida, C3=2 L =CD, y la eficiencia aerodinámica, E. Los resultados muestran la influencia sobre los coeficientes aerodinámicos de los parámetros de ángulo de flecha y de ángulo diedro del ala trasera. Además de lo anterior, se ha elaborado un modelo numérico simple basado en aproximar las características aerodinámicas de cada ala por medio de una línea o herradura de torbellinos, con el propósito de obtener resultados rápidos, sea cual sea el valor de las variables de estudio, y que facilite el análisis de sensibilidad de parámetros, propio de fases iniciales de diseño conceptual en un proyecto de aeronave. ABSTRACT In the last 50 years one of the main areas of innovation in the field of aeronautical design is the search for improvements to optimize the aerodynamic efficiency, the structural efficiency and the weight of the aircraft. To date, many of the advances made to improve these parameters in commercial aviation have been carried out in a conventional configuration, in other words, slender fuselage aircraft, wings in medium or low position, vertical and horizontal stabilizers attached to Tail cone and engines mounted under wing or attached to the rear of the fuselage. On the other hand there is an alternative which goes through to opt for the development of non-conventional geometric configurations, which are already considered as real options by large aeronautical companies. This is the case of an unconventional configuration model, called joined-wing aircraft, which consists of a design that uses two wings, one front and one rear, both tandem joined in such way that they have diamond shape view in front and top views. In the opinion of the author, it is a challenge to get the airlines to participate to favour the social environment to make attractive, to the passenger, changes so significant in the morphology of the aircraft. However, there is an alternative with a greater predisposition to the implementation of these changes as it is the case of Unmanned Aircraft Systems (UAS). This sector is one of the most dynamic in the aerospace industry, and it is expected that the market will be double in a decade, so this situation makes these systems an excellent framework for research, development and implementation of these new non-conventional configurations, easier to implement than commercial aviation. With this idea, the aerodynamic optimization of an unconventional geometric configuration of the joined-wing has been conducted by the parametric study of different configurations of physical models of tests. Each test model is characterized by geometric parameters that define the relative position of the rear wing with respect to the front wing. These parameters can be substituted by variation in the values of the dihedral angle and swept angle of the rear wing, thus allowing the definition of 25 different test configurations. In order to measure the aerodynamic coefficients of the system, aerodynamic tunnel tests were performed. The data presented correspond to the coefficients of lift, CL, drag, CD, induced drag, CDi, required minimum power parameter, C3=2 L =CD, and the aerodynamic efficiency, E. The results show the influence on the aerodynamic coefficients of the angle parameters of the swept and dihedral angle of the rear wing. In addition to the above, a simple numerical model has been developed based on the approximation of the aerodynamic characteristics of each wing by means of replacing the wing vorticity with a horseshoe of vortices, in order to obtain fast results, whatever the value of the study variables and, in the other way, to facilitate the sensitivity analysis of parameters, typical of initial phases of conceptual design in an aircraft project.

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ID de Registro: 45543
Identificador DC: http://oa.upm.es/45543/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:45543
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.45543
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 25 Abr 2017 06:38
Ultima Modificación: 21 Oct 2017 22:30
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