¿Cuáles son los efectos de escala de los perfiles aerodinámicos de punta de ala GA?

Si solo observa los perfiles aerodinámicos de forma aislada, el perfil aerodinámico de punta más corta se detendrá en un ángulo de ataque y un coeficiente de sustentación ligeramente más bajos (utilizo el ángulo de ataque en lugar de la velocidad, ya que ambos deberían ser equivalentes). Tiene solo la mitad del número de Reynolds del perfil aerodinámico de raíz y, por lo tanto, las fuerzas de viscosidad son dos veces más grandes en relación con las fuerzas de inercia. Esto se ve agravado por los alerones en el ala exterior: una desviación hacia abajo forzará más la capa límite, moviendo la pérdida a ángulos de ataque aún más bajos.

La diferencia exacta depende del perfil aerodinámico. A continuación, pegué la Figura 18 del capítulo 4 del libro Fluid Dynamic Drag de Sighard Hoerner. Su ala tiene una cuerda de 6 pies en la base y 3 pies en la punta, lo que corresponde a un número de Reynolds de 3,25 millones en la base y la mitad en la punta a una velocidad de 50 nudos. Tenga en cuenta la escala logarítmica del eje X a continuación: El punto de 2 millones está a medio camino entre el punto de 1 millón y el de 10 millones.

Pero hay más: con un ala un 50 % cónica y sin torcer, la carga más alta es quizás del 60 % de la envergadura; ahí es donde el ala completa se detendrá primero. A continuación, debe asumir un fuselaje en la raíz. Dependiendo de la distribución de la presión local, la raíz podría incluso comenzar a estancarse antes. Seguro que conoce comparaciones como la siguiente para la distribución de elevación y el comportamiento de pérdida de diferentes formas en planta ( fuente ). El suyo es el caso C (reducción moderada):

Mi recomendación está claramente en contra de la forma en planta propuesta. Combinado con las cargas de los alerones, será muy propenso a volcarse en pérdida. Dado el perfil aerodinámico "correcto", mostrará una amortiguación de balanceo positiva, es decir, rodará solo una vez que la pérdida comience en un lado. Hay varios pasos para hacer que el ala sea más benigna:

• Use un perfil aerodinámico más delgado (10%-12%) en la punta que en la raíz (aquí 15%-17% son una buena opción). Por qué eso ayuda se muestra en la Figura 23 a continuación, nuevamente tomada del capítulo 4 del libro Fluid Dynamic Drag de Sighard Hoerner.
• Use menos conicidad. El 70 % de la cuerda de la punta en relación con la cuerda de la raíz brinda el mejor valor para la resistencia inducida y deja más margen contra las paradas de la punta.
• Utilice un perfil aerodinámico con características de pérdida benignas. Definitivamente evite los perfiles aerodinámicos NACA de 5 dígitos.
• Use al menos 2° de lavado. Eso suena poco, pero tiene un profundo impacto en el comportamiento de pérdida.

P2) ¿Cuáles serían las características de pérdida (raíz frente a punta) si escalamos la cuerda de la punta un 50 % pero no cambiamos el grosor?

¿Quiere decir el mismo grosor absoluto, por lo que el perfil aerodinámico de la punta tiene el doble del grosor relativo que el perfil aerodinámico de la raíz? Esto garantizaría un comportamiento de pérdida muy pobre y es claramente un diseño pobre. Mientras que la raíz se beneficiará de una superficie aerodinámica más gruesa (mástil más ligero, más espacio interno para el tren de aterrizaje y el combustible), la punta no disfruta de tal beneficio. El combustible cerca de las puntas es más a menudo una responsabilidad (inercia de balanceo, presión interna del tanque en giros). La fabricación de un larguero con un solo cono es solo un poco más complicado que un larguero de espesor constante. Las bridas deben ser cónicas en ambos casos; esto crea la mayor parte del trabajo.

Para tener el margen más alto para la desviación del alerón, el grosor de punta recomendado es del 10 % al 12 %, no más. Muchos diseños incluso utilizaron con éxito una superficie aerodinámica de punta del 9%. Además, se recomienda encarecidamente el uso de deflexión diferencial de alerones . Deje que el movimiento del borde de salida hacia abajo del alerón sea solo la mitad del movimiento del borde de salida hacia arriba. Esto mejorará la resistencia a la entrada en pérdida y ayudará a reducir las fuerzas de los alerones, especialmente en ángulos de ataque altos.

Mi ejemplo favorito de un mal diseño de ala es el Dornier Seastar . Fue diseñado hace más de 40 años por un grupo de viejos ingenieros de Dornier que básicamente repitieron lo que habían hecho en el Dornier 17 otros 40 años antes. Mientras que el primer prototipo heredó un ala rectangular del Do-28, el "nuevo" diseño de ala usó un NACA 23015, sin lavado y tenía una relación de conicidad de 0.7. Durante un vuelo de prueba temprano, el avión volcó sobre su espalda durante las pruebas de baja velocidad. Afortunadamente, esto sucedió con suficiente distancia al suelo para que este trastorno pudiera corregirse rápidamente, pero requirió la adición de una nariz caída en el ala exterior.

Ahora mire el Beech Bonanza: la misma forma en planta y perfil aerodinámico de raíz muy similar ( NACA23016.5 ), pero un NACA 23012 en la punta y 3 ° de lavado . Y mucho mejores características de baja velocidad. El uso de un perfil aerodinámico NACA de 6 dígitos los mejoraría aún más, vea el Piper Cherokee, por ejemplo.

El ala trapezoidal es una forma que estamos viendo en nuestros cazas modernos, pero ha existido en varias formas y diferentes proporciones y formas desde la década de 1930, cuando los diseñadores se dieron cuenta de los efectos de la resistencia en el rango de mayor velocidad. Los primeros diseños presentaban un frente recto y una parte posterior afilada, los diseños posteriores tenían un frente y una espalda en forma de barrido, el F16 supersónico tiene un frente en forma de flecha y una parte posterior recta, el F35 tiene un frente y una espalda en forma de barrido. La velocidad de balanceo también se mejora con este diseño, junto con la capacidad de manejar cargas G más altas.

(Reversa) la reducción gradual de la parte posterior parece enfocarse en la reducción de la resistencia, la parte delantera en mejorar el rendimiento de alta velocidad. Pero el viejo Hershey, que data de la década de 1920 y antes, claramente es una muy buena opción para los aviones GA.

Sus características de entrada en pérdida, que comienzan desde la raíz y brindan mucho impacto, agregan un grado de seguridad que es muy importante en esta clase de aeronave.

Aunque engrosar la punta del ala ayudaría (esto se ha aplicado a los deltas), es básicamente un intento de arreglar lo que se ha deshecho con la conicidad.

Las alas Hershey son muy fáciles de fabricar, básicamente enrollando una lámina rectangular sobre las costillas y el larguero. Un trapezoide con grosor variable podría hacerse con mayor dificultad. Y el trapecio se puede mejorar con downwash, slats y flaps, aunque con mayor costo y complejidad.

Dependiendo de la aplicación, es una alternativa viable. Para GA simple, regla de Hershey.