ES2339317A1 - Soporte de minima interferencia aerodinamica para maquetas de ensayos en un tunel de viento criogenico. - Google Patents

Abstract

Conjunto soporte-maqueta de mínima interferencia aerodinámica para ensayos en régimen transónico en túnel de viento que comprende dos piezas principales: un brazo sustancialmente paralelo al eje longitudinal de la maqueta y una hoja. El soporte se conecta a la maqueta por medio de la hoja, siendo la maqueta tal que emula un avión. El brazo del soporte comprende una prolongación, que se extiende horizontalmente a la altura de una zona frontal del fuselaje de la maqueta, desde donde comienza la hoja y hasta sobrepasar la altura a la cual la hoja se conecta con la maqueta, de forma tal que el área de la sección de corte de la prolongación se obtiene al aplicar el principio aerodinámico de la Regla del Área al conjunto brazo-hoja-maqueta-prolongación.

Description

Conjunto soporte-maqueta de mínima interferencia aerodinámica para ensayos en régimen transónico en túnel de viento.

Objeto de la invención

La presente invención, según se expresa en el enunciado de la presente memoria descriptiva, tiene por objeto proporcionar un conjunto soporte-maqueta que minimice la interferencia aerodinámica para ensayos en régimen transónico en túnel de viento, particularmente un túnel de viento en condiciones criogénicas, para maquetas que emulan un avión, particularmente el empenaje y/o las alas de un avión.

Campo técnico de la invención

La presente invención se engloba dentro de la industria aeronáutica, en el campo técnico de los sistemas de medición de propiedades aerodinámicas de objetos, particularmente de maquetas que emulan al menos el empenaje y/o las alas de un avión, expuestas a un flujo de aire en un túnel de viento, preferentemente criogénico.

Concretamente, la presente invención fue concebida para el sector de los sistemas usados para compensar los efectos del conjunto soporte-maqueta sobre las mediciones aerodinámicas en la maqueta, siendo la maqueta aquella que emula, preferentemente, el empenaje y/o las alas de un avión y siendo las condiciones del ensayo preferentemente criogénicas.

Estado de la técnica anterior a la invención

En el diseño de los elementos que componen un avión, tales como fuselaje, alas, timones, etc., es preciso conocer las propiedades aerodinámicas de cada componente. A lo largo de la presente descripción se entenderá como fuselaje el cuerpo principal del avión al que se sujetan las alas y las colas, y que está diseñado en 3 partes: parte frontal de forma casi ovalada, parte media de sección casi cilíndrica y parte posterior de forma cónica.

A la vista del gran tamaño de los aviones, los ensayos aerodinámicos se realizan con maquetas que reproducen, a escala, la totalidad, o al menos parte, del avión. Dichas maquetas se someten a ensayos en un túnel de viento.

El soporte conocido para este tipo de maquetas suele ser al menos un "estilete" principal, consistente en un brazo que se extiende en el túnel de viento en dirección contraria al flujo de la corriente de aire y que por su extremo frontal está acoplado a la parte trasera de la maqueta (Fig. 1a).

El comportamiento aerodinámico del empenaje, es decir de la cola, del avión es especialmente relevante. Por lo tanto, dado que el soporte tipo "estilete" principal se acopla precisamente en la parte trasera de la maqueta, es decir en la cola del avión, la presencia de dicho soporte de estilete principal influirá en las mediciones efectuadas, lo cual puede llevar a datos erróneos en las mediciones.

Para obtener mediciones sobre el comportamiento aerodinámico del empenaje se suele usar otro tipo de soporte para la maqueta que consiste en dos brazos gemelos, simétricamente situados respecto al plano de simetría del avión, que se sujetan en la misma posición en cada ala de la maqueta (Fig. 1b). Este tipo de soporte deja libre la parte trasera (empenaje) de la maqueta, pero a cambio modifica la geometría del ala durante la medición en el túnel de viento porque limita su deformación y puede tener un efecto de proximidad en el empenaje.

Esto es así dado que, cuando el viento circula alrededor de un objeto, trata de adaptarse a la forma de dicho objeto cambiando de dirección, pero este cambio de dirección no afecta sólo al viento que "baña" directamente al objeto, sino que se propaga a lo largo del volumen alrededor, perturbando la dirección de otras zonas del viento. Esta perturbación disminuye de intensidad al alejar el objeto, por lo tanto al colocar un soporte (objeto) adosado a una maqueta, hay un efecto de proximidad que es el que se pretende mitigar.

Así, para compensar este efecto de proximidad en el empenaje existe otro tipo de soportes que sujetan a la maqueta desde el fuselaje, en su parte media-posterior, bien en el área superior (Fig. 1e) o bien en el área inferior (Fig. 1d) de la misma. Sin embargo, este tipo de soportes puede producir una interferencia muy elevada en las alas y en el empenaje, especialmente cuando se ensayan a altas velocidades, es decir velocidades hasta Mach 0,97 y número de Reynolds de hasta 38 millones.

Además, dado que, como se dijera anteriormente, la maqueta para ensayos no puede tener el mismo tamaño que un avión real porque sería necesario construir un túnel de viento de mayor tamaño que el propio avión real, el comportamiento aerodinámico del viento alrededor de la maqueta pierde similitud con el comportamiento que tendrá el viento alrededor de un avión real.

Por lo tanto, era deseable obtener un conjunto soporte-maqueta para ensayos en túneles de viento que superara estos inconvenientes, es decir:

-

que permitiera obtener datos más precisos de medición, es decir sin interferencias, o lo que es lo mismo, que minimice los efectos aerodinámicos,

-

que pudiera ser usado tanto para mediciones del comportamiento aerodinámico del empenaje como de las alas, y

-

que minimizaran la pérdida de similitud entre el comportamiento aeronáutico del viento alrededor de la maqueta con el que tendrá alrededor de un avión real.

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Adicionalmente a los soportes conocidos mencionados anteriormente, se conoce en la técnica anterior la solicitud de Patente ES200500027 que describe un sistema para compensar el efecto de los estiletes sobre las mediciones aerodinámicas en los empenajes de las maquetas, realizadas en un túnel de viento. Este documento describe un soporte con un estilete principal que se acopla por su parte trasera a una maqueta que emula al menos el empenaje y ala del avión, así el soporte descrito por este documento entra en la maqueta a través del fuselaje trasero, muy cerca de las colas y con la consiguiente influencia (muy alta) por proximidad.

Dicha invención cuenta, además, con un estilete secundario (gemelo) dispuesto de manera axial y sustancialmente paralelo al estilete principal, el estilete gemelo cuenta además con un extremo libre enfrentado a un área de medición en la parte trasera del ala de tal manera que permite determinar los efectos que la presencia del estilete secundario (o gemelo) tiene sobre los datos aerodinámicos y por lo tanto permite depurar los datos aerodinámicos para que pueda discriminarse el efecto de la presencia del estilete secundario (o gemelo). Es decir que el soporte secundario, está puesto ahí únicamente para medir el efecto que produciría un soporte igual, al conectarlo físicamente a la maqueta y retirar el otro, que es el que entra por la parte trasera del fuselaje.

Dicho tipo de soporte no está diseñado para ambiente criogénico, donde aparecen fuerzas muy superiores a las que aparecen en un ensayo en condiciones ambientales y por lo tanto podría romperse durante ensayos en condiciones criogénicas.

Descripción de la invención

La presente invención tiene por objeto proporcionar un conjunto soporte-maqueta para ensayos en régimen transónico en un túnel de viento que permita realizar mediciones con mínima interferencia aerodinámica, que pueda ser usado para mediciones del empenaje y de las alas de un avión, y en condiciones criogénicas de ensayo. Los soportes citados en la técnica anterior también tienen sus homólogos en condiciones criogénicas pero con los inconvenientes asociados a su diseño y posición en la maqueta mencionados anteriormente, por ejemplo de proximidad, o perturbando la deformación de las alas.

Cuando se realiza un ensayo en condiciones criogénicas se busca una calidad muy alta para los resultados y por lo tanto los inconvenientes que presentan los soportes anteriores reducen la calidad de la medición, por lo tanto los datos no son tan buenos como podrían ser.

Así, la pérdida de similitud entre el comportamiento aerodinámico del viento alrededor de una maqueta con el que tendrá alrededor de un avión real, puede compensarse subiendo la presión del aire en reposo hasta preferentemente presiones del orden de los 4 bares y reduciendo la temperatura del viento alrededor de la maqueta hasta condiciones criogénicas, es decir preferentemente del orden de los -160ºC (160ºC bajo cero).

Esta reducción de temperatura obliga a eliminar todo el aire del interior del túnel y sustituirlo por gas nitrógeno puro en estado gaseoso. Por lo tanto, los ensayos en condiciones criogénicas solo se pueden realizar en un número muy limitado de instalaciones en todo el mundo, que son las especialmente indicadas para ello. A cambio, los datos aerodinámicos producidos tienen un valor añadido en similitud con el avión real al ser comparados con los datos obtenidos en otras instalaciones aerodinámicas.

Este valor añadido a los datos aerodinámicos es, muy apreciado y ventajoso, por ejemplo, para las actuaciones en crucero del avión, donde una pequeña variación en el comportamiento aerodinámico del avión, al prolongarse durante muchas horas de vuelo, puede tener implicancias industriales muy importantes.

La presente invención se refiere a un conjunto soporte-maqueta para ensayos en un túnel de viento preferentemente criogénico donde se pide al soporte que tenga una interferencia aerodinámica mínima en el viento alrededor de la maqueta. Adicionalmente, se le pide al soporte que la mínima interferencia se manifieste cuando el soporte es ensayado en condiciones criogénicas.

Así, la presente invención describe un conjunto soporte-maqueta de mínima interferencia aerodinámica para ensayos en un túnel de viento preferentemente criogénico donde el soporte comprende dos piezas principales, siendo tales piezas un brazo sustancialmente paralelo al eje longitudinal de la maqueta y una hoja (denominada en inglés "blade" por su similitud, en su vista lateral, con una hoja de una espada) integradas describiendo un ángulo obtuso en el sentido dextrogiro brazo-hoja. El soporte se conecta a una maqueta por medio de dicha hoja. La maqueta puede ser tal que emula el empenaje y/o las alas de un avión.

Además, el brazo de dicho soporte comprende una prolongación o bulbo que se extiende horizontalmente a la altura de la zona frontal del fuselaje de la maqueta, desde donde comienza la hoja y hasta sobrepasar la altura a la cual la hoja se conecta con la maqueta, de forma tal que el área de la sección transversal de la prolongación se obtiene como resultado de aplicar la Regla del Área (principio aerodinámico de ley de áreas) al conjunto brazo-hoja-prolongación-maqueta, haciéndose variar la sección transversal de la prolongación para la correcta aplicación de dicho principio.

Cabe destacar que la sección de la prolongación, así como la del brazo podría ser cualquier forma geométrica, regular o conocida, como irregular o desconocida. No obstante, para dotar de mayor aerodinámica al conjunto soporte-maqueta son preferentes las secciones que no presentan aristas o esquinas y por motivos de costes de fabricación suele ser preferente la sección circular.

El principio aerodinámico de ley de áreas o Regla del Área dice, que la resistencia aerodinámica y, por lo tanto, la perturbación que se produce en un fluido que aparece en un objeto volando a alta velocidad depende de la distribución de sus áreas transversales. Para ser más precisos, se puede decir que depende de cómo cambia esta ley (o distribución) de áreas transversales al recorrer el objeto. Así, la ley o distribución de áreas es el conjunto de parejas de valores de "área" y "x" tal que a cada valor de "x" le corresponde una "área".

Aplicando el principio aerodinámico de la ley de áreas a la presente invención se llamará "x" a la distancia horizontal medida desde el morro de la prolongación y positiva hacia atrás y se llamará "área" al valor del área que se obtendría al cortar el conjunto integral conformado por el brazo, la hoja, la prolongación y la maqueta en la posición dada por "x" y medir el área encerrada por un corte transversal practicado a dicho conjunto.

Es decir que, para la aplicación de dicha Regla se consideran las áreas transversales del objeto sobre el cual se aplicará el principio. Así, se procede a considerar cortes del objeto por sus planos perpendiculares a su eje longitudinal y medir el área encerrada por el contorno del objeto en cada uno de dichos cortes. Cuando los cortes se realizan a lo largo de todo el objeto, se tiene la distribución de áreas transversales del objeto.

Por lo tanto, cualquier elemento externo que se añada a una maqueta cambiará la distribución de áreas transversales y por lo tanto modificará su resistencia aerodinámica y su interferencia en el fluido, a menos que este cambio produzca una ley (o distribución) de áreas semejante a la de la maqueta sin el soporte de manera tal que, aunque la nueva ley (o distribución) de áreas sea diferente de la anterior, la variación de ambas sea la misma.

En el caso de la presente invención, el brazo, como se ha dicho anteriormente, está diseñado de manera de comprender una prolongación que se extiende horizontalmente a la altura del fuselaje frontal de la maqueta, de tal manera que el incremento de área que introduce la presencia de la hoja es modificado por dicha prolongación del brazo para que la variación del área total final se mantenga igual que la variación del área antes de añadir la hoja y el brazo.

Adicionalmente, el soporte descrito anteriormente puede estar construido en acero, pero no cualquier acero, sino un acero capaz de ser sometido a condiciones criogénicas, es decir que se trata de un acero de alta resistencia, susceptible de ser sometido, preferentemente, a temperaturas del orden de los -160ºC (160ºC bajo cero). Por lo tanto, de los materiales que se conocen actualmente el único que podría utilizarse es el acero: MARAGING G90C.

Así, la principal ventaja que aporta el conjunto soporte-maqueta descrito por la presente invención se relaciona con el diseño del brazo del soporte y su prolongación, específicamente con la existencia de la prolongación y el hecho que dicha prolongación sea el resultado de aplicar la Regla del Área y esté construido para funcionar en condiciones criogénicas. Dado que al adosar el brazo, con su prolongación y la hoja en la maqueta, se produce un desplazamiento constante en la ley (o distribución) si se la compara con la de la maqueta sin ningún soporte.

Por último, el soporte descrito por la presente invención se adosa a la maqueta en la zona frontal del fuselaje de la maqueta, por lo tanto dicho soporte queda separado de las alas y empenajes lo cual permite reducir el posible efecto que el soporte pudiera tener en las mediciones de dichas zonas.

Se observa así, que no se modifica la pendiente de la curva de distribución de áreas transversales de la maqueta con y sin soporte en cada punto, es decir, que el soporte descrito por la presente invención no modifica la variación de áreas transversales de la maqueta en la que se instala y por lo tanto la interferencia aerodinámica queda de esta manera minimizada.

Otra ventaja de este tipo de soportes es que al quedar libre la zona de la cola y de las alas es posible hacer ensayos en ambas zonas. Dado que la medición de las fuerzas aerodinámicas sobre la maqueta se hace con una balanza que se introduce dentro del fuselaje, con el soporte de la presente invención se puede instalar una balanza que esté conectada solo al empenaje, con lo cual se medirá solamente el empenaje, y también se puede instalar una balanza conectada a toda la maqueta, con lo cual se medirán alas y empenajes a la vez.

Adicionalmente, el conjunto soporte-maqueta descrito por la presente invención, podría usarse en ensayos en túneles de viento a temperatura ambiente, pero los datos producidos ya no serían tan buenos.

Breve descripción de las figuras

La presente invención será completamente comprendida sobre la base de la breve descripción que figura a continuación y de los dibujos acompañantes que se presentan, solamente a modo de ejemplo y, de esta manera, no son restrictivos dentro de la presente invención y donde:

las figuras 1a, 1b, 1e y 1d muestran los conjuntos soporte-maqueta existentes en la técnica anterior, donde la figura la muestra un esquema del conjunto soporte-maqueta tipo "estilete"; la figura 1b muestra un esquema del conjunto soporte-maqueta que consiste en dos brazos gemelos; la figura le muestra un esquema del conjunto soporte-maqueta donde el soporte se sujeta a la maqueta en el fuselaje, en su parte media-posterior, en el área superior del mismo; y la figura 1d muestra un esquema del conjunto soporte-maqueta donde el soporte se sujeta a la maqueta en el fuselaje, en su parte media-posterior, en el área inferior del mismo,

la figura 2a muestra un esquema del conjunto soporte-maqueta de mínima interferencia aerodinámica para maquetas; de ensayos en un túnel de viento, preferentemente criogénico descrito por la presente invención, donde el soporte está conectado al fuselaje frontal de un avión,

la figura 2b muestra un detalle de la zona punteada de, la figura 2a,

la figura 3a muestra un gráfico donde se visualizan dos curvas de ley (o distribución) de áreas transversales de la maqueta, una con soporte y otra sin soporte,

la figura 3b muestra un gráfico donde se visualiza la distribución de áreas de la hoja (1) a lo largo del eje x,

la figura 4a muestra un gráfico donde se visualizan los resultados obtenidos en un ensayo del empenaje, y

la figura 4b muestra un gráfico donde se visualizan los resultados obtenidos en un ensayo de las alas.

Referencias

1:

hoja (blade)

2:

brazo (front sting)

3:

prolongación del brazo

4:

maqueta

5:

fuselaje frontal de la maqueta

A:

curva para soportes convencionales

B:

curva para vuelo libre

C:

curva para un conjunto soporte-maqueta como el descrito por la presente invención.

Forma de realización de la invención

Con el objeto de llegar a una mejor comprensión del objeto y funcionalidad de la presente invención, y sin que se entienda como soluciones restrictivas, así

la figura 2a muestra un esquema del conjunto soporte-maqueta de mínima interferencia aerodinámica para ensayos en un túnel de viento preferentemente criogénico donde el soporte comprende dos piezas principales, siendo tales piezas un brazo (2) sustancialmente paralelo al eje longitudinal de la maqueta y una hoja (1) integrados describiendo un ángulo obtuso en el sentido dextrogiro brazo-hoja, estando dicho soporte conectado a la maqueta (4) por medio de la hoja (1), y siendo dicha conexión entre la hoja (1) y la maqueta (4) realizada en la zona frontal del fuselaje (5) de la maqueta (4). Adicionalmente, en la figura 2b se visualiza un detalle del área punteada de la figura 2a, donde se visualiza claramente que el brazo (2) está diseñado de tal manera de comprender una prolongación o bulbo (3) que se extiende horizontalmente, de forma sustancialmente paralela a la zona frontal (5) del fuselaje de la maqueta (4). El brazo (2), incluida la prolongación (3), la hoja (1) y la maqueta (4) conforman un único objeto integral a efectos de llevar a cabo el ensayo.

Además, el área de la sección transversal de la prolongación (3) se obtienen al aplicar el principio aerodinámico de la ley de áreas (Regla del Área) al conjunto brazo(2)-hoja(1)-maqueta-(4) prolongación(3), haciéndose variar dichas el área la prolongación (3) en la aplicación de dicho principio aerodinámico.

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la figura 3a muestra un gráfico donde se pueden ver dos curvas de ley (o distribución) de áreas transversales de la maqueta, donde la curva hecha en línea partida corresponde al conjunto soporte-maqueta de la presente invención y la curva hecha con línea continua corresponde a la maqueta sin soporte, permitiendo observar como la presencia del soporte de la presente invención no modifica la pendiente y por ende la variación de áreas transversales de la maqueta en la que se instala;

En la figura 3b se observa la distribución de áreas de una hoja (1), de la cual se puede anticipar que la sección del conjunto soporte-maqueta a la altura donde está la hoja (1), es decir la parte del soporte que corresponde a la prolongación (3), se reducirá en cada intervalo de espacio "x" la cantidad necesaria para compensar el aumento de área que introduce la hoja (1).

Por último, las figuras 4a y 4b muestran sendos gráficos donde se puede observar los resultados de la resistencia en función a la velocidad en el empenaje y en las alas respectivamente, donde la curva A representa el resultado de un ensayo con soportes convencionales existentes en la técnica anterior, la curva B representa el resultado del vuelo libre y la curva C representa el resultado de un ensayo realizado con el conjunto soporte-maqueta descrito por la presente invención, donde la distancia entre línea y línea del eje vertical corresponde a 0,002 unidades de coeficiente de resistencia (CD). Así se observa claramente que, tanto para el empenaje, como para el ala, a altas velocidades, es decir a partir de Mach 0.85 u 0.88 la curva A (soportes convencionales existentes en la técnica) empieza a distanciarse de la dirección paralela a la curva B (vuelo libre), mientras que la curva C (conjunto soporte-maqueta de la presente invención) mantiene la misma relación. Es decir que la interferencia del soporte se hace mínima en los ensayos con el conjunto soporte-maqueta descrito por la presente invención.

Claims (4)

1. Un conjunto soporte-maqueta de mínima interferencia aerodinámica para ensayos en régimen transónico en túnel de viento que comprende dos piezas principales, siendo dichas piezas un brazo (2), sustancialmente paralelo al eje longitudinal de la maqueta (4), y una hoja (1) integradas describiendo un ángulo obtuso en el sentido dextrogiro brazo-hoja, estando el soporte conectado a una maqueta (4) por medio de la hoja (1), y siendo la maqueta tal que emula un avión, el conjunto soporte-maqueta está caracterizado porque el brazo (2) comprende una prolongación (3), cuyo eje longitudinal se extiende paralelamente al eje longitudinal del fuselaje de la maqueta (4), a la altura de uña zona frontal (5) del fuselaje de la maqueta (4), desde donde comienza la hoja (1), es decir en su unión al brazo (2) y a la prolongación (3), y hasta sobrepasar su conexión con la maqueta (4), es decir su unión a la zona frontal del fuselaje, de forma tal que el área de la sección transversal de la prolongación (3) del brazo (2) se obtiene por aplicación de la Regla del Área al conjunto brazo(2)-hoja(1)-maqueta(4)-prolongación(3), haciéndose variar la sección transversal de la prolongación (3) en la aplicación de dicha Regla de manera que el área de la sección transversal del conjunto brazo(2)-hoja(1)-maqueta(4)-prolongación(3) en un eje x permanece constante, siendo el eje x aquel definido con origen en el extremo de la prolongación (3), dirección paralela al eje longitudinal de la maqueta (4), es decir paralelo también al eje longitudinal del brazo (2) y de la prolongación (3), y sentido positivo hacia el comienzo del brazo (2).

2. El conjunto soporte-maqueta de mínima interferencia aerodinámica para ensayos en un túnel de viento según la reivindicación 1, caracterizado porque el brazo (2), la hoja (1) y la prolongación (3) están construidos en acero de alta resistencia, apto para condiciones criogénicas.

3. Uso del conjunto soporte-maqueta definido en la reivindicación 1, para realizar ensayos en el empenaje y en las alas de la maqueta (4) a la vez.

4. Uso del conjunto soporte-maqueta definido en la reivindicación 1, para ensayos en túneles de viento a temperatura ambiente.