¿Cómo reduce la resistencia el sistema de inclinación variable del A350?

Es curioso cómo el A350 reduce la resistencia al avance y el consumo de combustible al extender los flaps muy levemente durante el crucero. Todo lo que he leído sobre extender flaps dice que extenderlos empuja el centro de presión hacia atrás. Esto provoca un momento de cabeceo hacia abajo, lo que significa que necesita aumentar el AoA, pero esto afecta negativamente la resistencia y el consumo de combustible (un comando de cabeceo hacia arriba aumenta la fuerza hacia abajo del plano de cola, lo que tiene como resultado un aumento del peso efectivo del avión, lo que requiere un AoA aún más alto para compensar, lo que también aumenta la resistencia inducida).

Así es como funciona según el ( A350 Flight Deck and Systems Briefing for Pilots )

Configuración de flaps diferenciales y camber variable

La configuración de flaps diferenciales y la inclinación variable permiten optimizar las cargas y la resistencia de las alas.
Pequeñas deflexiones de flaps (4° máximo) ya sea simétrica o asimétricamente, permiten automáticamente:

  • Optimice la inclinación del ala para reducir las cargas y la resistencia del ala
  • Realice una función de compensación lateral optimizada.
No recuerdo los detalles exactamente, así que lo publicaré como un comentario. Sin embargo, creo que el razonamiento tiene sentido. Una vez escuché una charla sobre esto mientras era pasante en Airbus sobre este tema, y ​​si no recuerdo mal, se mencionó que en lugar de rotar todo el avión para alcanzar el ángulo de ataque correcto del avión durante el crucero, extenderían el aletea ligeramente. Al hacer esto, fue posible mantener el fuselaje más horizontal y reducir la resistencia resultante del fuselaje.

Respuestas (3)

Henning Strüber, uno de los ingenieros de Airbus detrás de este sistema, ha escrito un artículo al respecto.

En crucero:

Esto se puede aplicar en las primeras fases de crucero para desplazar el centro de sustentación más hacia adentro y, por lo tanto, reducir el momento de flexión de la raíz del ala, que se puede transferir a un ahorro de peso estructural.

Un avión que se puede construir más ligero tendrá menor resistencia [para la misma carga útil].

Para un despegue pesado y/o caliente y alto :

En la configuración de sustentación alta, se puede lograr una distribución de sustentación con carga más externa para reducir la resistencia inducida durante el despegue.

Para saber cómo funciona, consulte aquí . La respuesta allí de @PeterKämpf confirma que la carga externa requiere un ala pesada en relación con toda la masa (las leyes de escala funcionan para un insecto, pero no para un albatros o un avión). Entonces, esos dos regímenes pueden parecer contradictorios: si el sistema de crucero permite un ala más liviana, entonces, ¿cómo puede ese ala más liviana lograr más sustentación exterior para un despegue pesado?

La clave aquí es tener en cuenta las cargas de ráfagas en crucero, que son más pequeñas para los despegues. (Gracias a @PeterKämpf por esta información; vea el comentario publicado a continuación).

El ahorro de peso no proviene de las cargas estáticas en vuelo, sino de las ráfagas de carga esperadas (más la carga estática, por supuesto). Esos son más pequeños durante el despegue, por lo que se puede tolerar un mayor momento de flexión del caso de elevación estática.

Simplemente complementando la respuesta de @ares, que es bastante buena y se refiere al efecto principal. Me gustaría referirme a otro efecto "secundario" que implica también la reducción de la resistencia.

A la hora de diseñar un avión se diseña la estructura teniendo en cuenta varios factores, uno de ellos, es la carga máxima a la que puede estar expuesto el avión.

Airbus ha diseñado un sistema que durante el vuelo optimiza las cargas sobre el ala. Digamos, por ejemplo, que sin el sistema de peralte variable tenemos una carga máxima determinada (digamos A). Usando el sistema de inclinación variable, el avión es capaz de reducir la carga A (tal vez aumentando la resistencia) a B (siendo B < A).

Por lo tanto, al diseñar la estructura, suponiendo que se utilizará el sistema de inclinación variable, el avión utilizará B como punto de diseño y no A. Como B < A, el tamaño y el peso de la estructura con el sistema de inclinación variable serán más ligeros.

Una estructura más liviana implicará que se necesita menos fuerza de sustentación y, por lo tanto, se produce menos arrastre para lograr dicha sustentación. Entonces, desde el punto de vista de la optimización del diseño, el sistema de inclinación variable está, esencialmente, proporcionando nuevas variables de diseño que permitirán una mejor optimización del avión, reduciendo la resistencia.

Esencialmente, @ares ha descrito correctamente el mecanismo "activo" y yo he descrito uno "pasivo".

Gracias Trebia! Todavía no estoy seguro de si estoy recibiendo lo básico. Si pudieras echar un vistazo a las preguntas que le hice a Ares te lo agradecería!
Parece que tu cuarto párrafo se cortó: "Como B"...
@FreeMan, gracias, usé un símbolo que en realidad usé todo lo que hay detrás como comentario.

En pocas palabras, existen dos tipos de arrastre: arrastre de perfil y arrastre inducido. Se puede decir que el arrastre de perfil se compone de arrastre viscoso y arrastre de onda de choque (estos dos a menudo interactúan). La resistencia inducida es el resultado de las velocidades efectivas locales en el ala debido a la circulación del vórtice. No sé cuál es su experiencia y, por lo tanto, no profundizaré más. Solo mencionaré que, si desea simplificar las cosas, la resistencia del perfil puede verse como la resistencia que tendría un perfil aerodinámico 2D, mientras que la resistencia inducida es una medida de la eficiencia de la geometría de un ala. En realidad, estos dos tipos de resistencia pueden interactuar fuertemente cuando la relación de aspecto de las alas es pequeña.

Por ejemplo, es bien sabido que las distribuciones de carga de expansión elíptica son óptimas (cuando el objetivo es la resistencia inducida). Esta 'carga elíptica' se puede reproducir si diseña un ala de i) cuerda constante con distribución elíptica de torsión, ii) distribución elíptica de cuerda con torsión constante, iii) una combinación de torsión y cuerda que da una distribución elíptica.

Lo que dice AIRBUS es que podemos variar la cuerda en vuelo para optimizar la carga y el momento de flexión de la raíz. Lo que realmente hacen, en términos simples, es optimizar la resistencia inducida y posiblemente el control, es decir, los controles de estabilidad y vuelo cambiando la distribución de cuerdas. Ahora, si cambia la inclinación, también optimizará la resistencia del perfil (porque la inclinación es una propiedad del perfil aerodinámico 2D) y la torsión (en el sentido de torsión aerodinámica). Para los aviones comerciales que vuelan en condiciones transónicas, esto significa que la inclinación se modifica para reducir la pérdida de resistencia por ondas de choque .

Aclaración : El giro aerodinámico se refiere a los cambios de inclinación a lo largo del tramo. A menudo es más eficiente cambiar la forma del perfil aerodinámico a lo largo del tramo en lugar de usar el mismo perfil aerodinámico en un ángulo diferente.

Si desea más detalles, por favor hágamelo saber.

Gracias Ares. Todavía no estoy seguro si entiendo completamente. ¿Cómo puede el A350 reducir la resistencia inducida/parásita extendiendo los flaps/aumentando la inclinación? Mi entendimiento es que los flaps aumentan la corriente descendente, lo que disminuye el alfa efectivo del ala, dando un componente adicional, orientado hacia abajo, a la fuerza aerodinámica que actúa sobre todo el ala que inclina el vector de sustentación hacia atrás y provoca la resistencia inducida. Lo mismo con el ligero aumento en la cuerda/área del ala + disminución en la relación de aspecto. Por lo que he leído en los recursos de los pilotos, los flaps extendidos no contribuyen en absoluto a la eficiencia del combustible.
En el A330, tienen un tanque de ajuste continuo que mantiene el CG dentro del 2% del límite de popa y puedo ver cómo esto ahorra combustible. Es bien sabido que un CG de popa ahorra combustible debido a la reducción de la fuerza de cola hacia abajo el avión más ligero) que reduce el alfa requerido para un peso dado. Esto reduce la resistencia inducida, aumenta el TAS y disminuye el consumo de combustible. Con el A350, entiendo que primero queman el combustible del tanque central para un efecto similar, pero la ligera extensión de las aletas mueve el CP hacia atrás y aumenta la corriente descendente que, por lo que entiendo, tiene un efecto opuesto y negativo.
Obviamente, este no es el caso en la realidad, porque si tuviera un efecto negativo, no habrían diseñado tal sistema. Así que tengo curiosidad por saber qué concepto estoy malinterpretando o me estoy perdiendo. Actualmente estoy estudiando para mis exámenes ATPL y sigo obsesionado con esta pregunta cuando estoy repasando los principios de vuelo. No me preguntarán esto en un examen ni nada, pero me molesta que lo que me enseñan en la escuela de tierra no pueda explicar cómo este sistema mejora la aerodinámica del 350.
@Speedalive ¡Demasiados comentarios/preguntas! Intentaré responderlas... Entonces, "¿Cómo es capaz el A350 de reducir la resistencia inducida/parásita extendiendo los flaps/aumentando la inclinación?" Creo que he descrito todo el proceso en mi respuesta. Si no está convencido, tengo que traer las ecuaciones, pero supongo que esto es demasiado. Lo que pasa es que este campo de velocidad inducido depende de lo que sucede en toda el ala. Por lo tanto, jugando con la distribución de camber y acordes, puede "adaptar" su carga de amplitud a cada condición de vuelo específica.
@Speedalive Si quiere entender esto mejor, una buena manera de comenzar es la teoría de la línea de elevación de Prandtl, suponiendo que tenga una formación básica en aerodinámica.
@Speedalive No estoy completamente al tanto de los detalles del avión. Mis respuestas enfrentan el problema desde la perspectiva general de la aerodinámica. Para cualquier configuración (posición de la cola, tanques de combustible, motores, momentos del fuselaje, bla, bla, bla), todo se reduce a cuáles son los coeficientes óptimos de sustentación, resistencia y momento.
@Speedalive Para una configuración particular, restringe su ala para operar en un coeficiente de momento específico, que nuevamente depende de la carga de luz. Entonces, en vuelo, como el CG puede moverse debido al combustible quemado, el coeficiente de momento requerido cambia. Esto se puede aprovechar si puede modificar la inclinación/giro del avión en vuelo para obtener un ala más eficiente. Ahora, el 'óptimo' es una compensación entre la resistencia total, las consideraciones de estabilidad, el rango de movimiento de las partes mecánicas (flaps), etc.
@Speedalive Dije "todo se reduce a cuáles son los coeficientes óptimos de sustentación, arrastre y momento", quise decir eso para los coeficientes del ala , ya que el mecanismo que está solicitando es un control activo en el ala (la pila no t déjame editar el comentario después de que hayan pasado 5 minutos...).