¿Qué diseño de perfil aerodinámico se necesita para un avión volador de 4 m de envergadura?

Primero para aquellos que se preguntan qué es F3J: esta es la categoría de aviones modelo FAI para vuelos térmicos.

Respuesta rápida: esta respuesta describe qué recursos están disponibles en la red.

Su elección de superficie aerodinámica depende de la carga alar y el tamaño del modelo, porque eso determinará el número de Reynolds del flujo sobre las alas. El vuelo elevado requiere altos coeficientes de sustentación, pero tal vez también desee una baja resistencia para los sprints entre térmicas o para evitar que los vientos fuertes se lo lleven.

La descripción del avión de vuelo autónomo de la NASA da 15 libras de masa y una envergadura de 170 pulgadas. Se basó en un modelo de planeador de RnR Products , y allí encontré la relación de aspecto de 19.8 y el área del ala de 1545 pulgadas cuadradas. Estos números no son muy consistentes, pero lo suficientemente cercanos para tener una idea.

Las térmicas son más fuertes en su centro, por lo que es deseable volar en un círculo lo más cerrado posible. Carga alar baja$\frac{m}{S}$y un alto coeficiente de sustentación$c_{l_{max}}$conducir el radio de giro mínimo$r_{min}$hacia abajo (a una determinada densidad de aire$\rho$), y la fórmula es:

$$r_{min} = \frac{\frac{n_{z_{max}}}{\sqrt{n_{z_{max}}^2 - 1}}}{c_{l_{max}}\cdot\frac{\rho}{2}\cdot \frac{S}{m}}$$

Aquí$n_{z_{max}}$es el factor de carga máximo, y la imagen de abajo muestra que poco se gana aumentando$n_{z_{max}}$más allá de 3. El pequeño DFS Habicht ayuda a ilustrar el ángulo de inclinación.

Con una carga alar de 6,8$kg/m^2$y una cuerda media del ala de sólo 23 cm la velocidad de vuelo a un$c_l$de 1,2 es 9,5 m/s. Al nivel del mar en una atmósfera estándar, el número de Reynolds sería 150.000. La punta del ala vuela a un número de Reynolds por debajo de 100.000. En vuelo circular con un ángulo de alabeo de 60° (equivalente a 2g, por lo que se necesita el doble de sustentación), el número de Reynolds aumentaría a 212 000 para la cuerda media ya 140 000 para la punta. Si esto te suena mucho, no lo es. Este es un flujo que necesita superficies aerodinámicas altamente especializadas.

Mi recomendación es probar la base de datos de perfiles aerodinámicos de la UIUC y seleccionar un modelo de perfil aerodinámico específico con baja resistencia a coeficientes de sustentación altos y números de Reynolds hasta 100.000 . Debe tener una gran inclinación y un grosor de alrededor del 12% para mantener el peso del ala bajo. Si tiene cubierto el rango inferior de números de Reynolds, no debe preocuparse por el rango superior. Incluso podría considerar usar diferentes perfiles aerodinámicos en la envergadura, según el número de Reynolds local mínimo. Idealmente, encontrará un conjunto de superficies aerodinámicas que se han optimizado exactamente para este propósito, como las superficies aerodinámicas DAE11 - DAE21 - DAE31 del avión de propulsión humana Dedalus .