Aerodinámica y consumo de combustible de un planeador motorizado

Puedo hablar de un par de estos...

3) La velocidad óptima de crucero de larga distancia es a la máxima relación sustentación/resistencia, y cuando la sustentación es igual al peso de la aeronave, dado que el motor y la hélice también están optimizados para ello. En otras palabras, la velocidad a la que se sienta estable en el aire sin ningún control.

Bueno, hay dos velocidades de las que estás hablando:

• La velocidad de crucero más eficiente, que es también la velocidad que maximiza L/D, que también es la mejor velocidad de planeo.
• La "velocidad de compensación", que es la velocidad a la que la aeronave tiende a mantener un cabeceo constante ("sentarse estable en el aire") cuando el piloto no aplica ninguna fuerza al control.

Para aeronaves a gran escala, la velocidad de compensación generalmente puede ser alterada por el piloto en vuelo, usando la rueda de compensación (o cualquier control de compensación que tenga la aeronave). Por lo tanto, la velocidad de compensación no suele ser igual a la mejor velocidad de planeo.

Dicho esto, ciertamente puedes (y probablemente sea una buena idea) diseñar tu planeador motorizado para que su velocidad de compensación sea constante e igual a la mejor velocidad de planeo.

Puedo encontrar esta velocidad para mi modelo de planeador volándolo con un ángulo de ataque cero y con superficies de control neutrales, y luego aumentar gradualmente el acelerador hasta que el avión deje de hundirse.

Sí, puedes encontrar la velocidad de trimado (pero no la mejor velocidad de planeo) de tu modelo de parapente controlando el acelerador para que la altura permanezca constante. Si los controles están neutrales y su avión no está cabeceando, entonces está volando a velocidad de compensación.

(No estoy seguro de lo que quiere decir con "volarlo con un ángulo de ataque cero", ya que no puede controlar explícitamente el ángulo de ataque sin mover las superficies de control. Para un vuelo constante, el ángulo de ataque está determinado por la velocidad y el ángulo de inclinación.)

7) La velocidad se ha duplicado, lo que significa que la resistencia se ha cuadriplicado aproximadamente, por lo que se debe instalar un motor y una hélice nuevos con cuatro veces la potencia y optimizados para el doble de velocidad.

Eso es casi correcto. Si la velocidad se duplica, entonces la resistencia se cuadriplica. Pero la potencia es igual a la fuerza por la velocidad, por lo que si la velocidad se duplica y la resistencia se cuadriplica, entonces la potencia necesaria se multiplica por ocho , no por cuatro.

Respuestas a sus comentarios:

Sin embargo, según tengo entendido, el "recorte" es solo un ajuste menor al elevador, ¿correcto? Entonces, en efecto, estamos empujando el ángulo de ataque para que la sustentación coincida perfectamente con el peso y el avión pueda permanecer estable, pero ¿realmente no estamos volando a la L/D óptima?

No lo llamaría "solo un ajuste menor". En un Cessna 172, el trim es lo que determina si el avión vuela a 55 o 155 nudos. Otros aviones y planeadores funcionan de la misma manera: hay una velocidad particular a la que el avión volará de manera constante sin ninguna fuerza en la palanca de control, y se usa el ajuste para determinar cuál es esa velocidad.

Trim no se usa para hacer que el levantamiento coincida con el peso. Si la sustentación es demasiado alta, la aeronave comenzará a ascender (o dejará de descender), y si la sustentación es demasiado baja, la aeronave comenzará a descender (o dejará de ascender). Puedes controlar esto usando la palanca y el acelerador.

La aeronave puede "estar estable" con la compensación en cualquier posición, pero para cada posición de compensación, solo hay una velocidad correspondiente a la que la aeronave volará de manera constante sin fuerza en la palanca.

(Hay una excepción a lo anterior: con algunas aeronaves en algunas circunstancias, si el asiento está demasiado hacia atrás, se requiere una presión constante hacia adelante sobre la palanca o el yugo para evitar que la aeronave entre en pérdida).

Si está sentado en un avión y desea volar a una L/D óptima, generalmente lo hará sabiendo qué velocidad aerodinámica corresponde a la L/D óptima y configurando el ajuste para esta velocidad aerodinámica. (El proceso para configurar el ajuste correctamente es: use la palanca para volar a esa velocidad, sostenga la palanca en su lugar y luego use el control de compensación para aliviar la fuerza que la palanca ejerce sobre su mano).

Solo asumo que los perfiles aerodinámicos están diseñados para estar en su mejor L/D con un ángulo de ataque cero, ¿es ese realmente el caso?

Lo dudo. En particular, algunas aeronaves tienen perfiles aerodinámicos simétricos, que tienen una L/D de cero con un ángulo de ataque cero.

Cuando dije "volar con un ángulo de ataque cero", me refiero a que el avión se sienta completamente horizontal en el aire, y lo hace sin ninguna compensación de las superficies de control.

Si el avión es completamente horizontal, eso es paso cero, no ángulo de ataque cero. El ángulo de ataque cero es cuando la nariz apunta exactamente hacia el aire que se aproxima, en lugar de más alto o más bajo.

El cabeceo en el que se asienta un avión depende tanto del ajuste como del ajuste de potencia.

La última parte no me parece bien. Si lo mira desde la perspectiva del motor, crea una fuerza de avance. Esta fuerza es constante, independientemente de la velocidad del avión (dejando de lado el hecho de que una hélice no puede ser igualmente efectiva a todas las velocidades). Sin embargo, el arrastre está relacionado con la velocidad, y el arrastre es cuatro veces más fuerte. Así que me parece que la potencia necesaria es solo cuatro veces más, no ocho.

Bueno, lo que pasa es que un motor en realidad no crea una fuerza constante. En particular, debe producir suficiente fuerza para contrarrestar la resistencia. Si su avión experimenta cuatro veces más resistencia, entonces su motor también necesita producir cuatro veces más empuje para volar de la misma manera.

Entonces, para volar el doble de rápido, debe hacer que el motor produzca cuatro veces más fuerza (ya sea abriendo más el acelerador o usando un motor más potente). El motor también necesita operar al doble de la velocidad aerodinámica. La potencia es fuerza multiplicada por la velocidad, así que juntos, estos dos hechos significan que el motor necesita producir ocho veces más potencia.

Más respuestas a sus comentarios:

Re ángulo de ataque y cabeceo, podría haber confundido los términos. Según entiendo los términos, "ángulo de ataque" se refiere al ángulo del aire entrante en relación con la cuerda del perfil aerodinámico, por lo que se relaciona solo con las alas. El cabeceo es el ángulo del aire entrante en relación con el propio avión. Entonces, si la cuerda del ala se monta exactamente horizontal, el ángulo de ataque y el cabeceo son idénticos.

El tono no tiene nada que ver con el ángulo del aire que se aproxima; se define exclusivamente por la forma en que la aeronave se orienta en el espacio, en relación con el horizonte. Específicamente, el cabeceo es el ángulo por el cual la nariz apunta por encima o por debajo del horizonte. Si apunta 10 grados por encima del horizonte, la inclinación es de 10 grados; si apunta 20 grados por debajo del horizonte, la inclinación es -20 grados. Esto es independientemente de cómo se muevan la aeronave y el aire.

Tiene más sentido para mí cuando me imagino poniendo un motor de pistón con una hélice en un túnel de viento. ¿Variaría mucho la fuerza de empuje de ese motor/hélice con la velocidad del aire entrante cuando el motor funciona a potencia constante? No puedo imaginar por qué lo haría. A medida que aumenta la velocidad del aire, el motor aumentaría sus RPM para ejercer la misma potencia en el aire, y la eficiencia de la hélice variaría ligeramente, pero la potencia del motor seguiría siendo la misma. Y en general, la fuerza de empuje sería aproximadamente la misma. ¿O estoy pensando de manera incorrecta aquí?

Bueno, la mejor manera que conozco de decirlo es "eso es física". Si desea empujar algo en la misma dirección en la que ya se está moviendo (como lo hace la hélice de un avión: empuja el aire hacia atrás, aunque el aire ya se esté moviendo hacia atrás), y desea empujarlo con una fuerza constante, entonces el más rápido va esa cosa, se requiere más potencia para empujarla. No creo que sea fácil ver por qué este es el caso, pero este es, de hecho, el caso.

Tal vez sería útil imaginar un avión volando en línea recta . Imagina que este avión es pesado pero elegante, por lo que la resistencia es muy pequeña en comparación con el peso. Entonces, para que este avión vuele hacia arriba a cualquier velocidad, su motor simplemente tendrá que generar un empuje igual al peso del avión. (La única vez que el motor necesitaría generar más empuje que el peso del avión es cuando hace que el avión acelere). Y, sin embargo, si este avión fuera a volar el doble de rápido, seguramente el motor necesitaría generar más potencia, ¿verdad? ?

La moraleja de la historia es que el poder depende tanto de la fuerza como de la velocidad. Eso es física; no hay forma de evitarlo. Si tuviera un motor que generara una cantidad constante de empuje, usando una cantidad constante de potencia, independientemente de la velocidad, entonces sería capaz de hacer una máquina de movimiento perpetuo.