¿Por qué no se pueden usar modelos de aeronaves para descubrir el comportamiento de giro y pérdida de los diseños de aeronaves tripuladas?

¿Quién dice que los modelos a escala no se pueden usar para el modelado giratorio?

La información clave es que el número de Reynolds no afecta tanto el comportamiento del flujo de aire separado, por lo que no necesita aumentar la velocidad para compensar las dimensiones más pequeñas. Solo cuando se estudia el comportamiento de pérdida importaría el número de Reynolds, pero aquí también son posibles resultados significativos a velocidades más bajas.

Los modelos se utilizan habitualmente en los túneles giratorios . Aquí tanto la velocidad como las dimensiones son menores, pero los resultados se pueden trasladar al avión original. Hay dos tipos de túneles giratorios:

1. Túneles libres con una sección abierta y divergente en los que el modelo debe ser lanzado por un operador experto para que se asiente en un giro dentro de la corriente de aire que fluye hacia arriba. La sección es divergente, por lo que la velocidad cambia con la altura y permite que el modelo encuentre una velocidad coincidente.

Imagen de las pruebas de giro en un modelo Grumman E-2 en el túnel de giro de 20 pies de NACA ( fuente de la imagen )

2. Túneles cerrados en los que el modelo está montado sobre un aguijón. El aguijón está conectado a una balanza giratoria, que se puede configurar a diferentes velocidades de balanceo y guiñada. La matriz resultante de coeficientes sobre el ángulo de ataque, el ángulo de deslizamiento lateral y sobre las tres velocidades de rotación se introduce en un modelo informático que calcula los puntos de equilibrio.

Los modelos utilizados en los túneles libres deben escalarse tanto geométrica como inercialmente, para que su distribución de masa coincida con la del original. Si el túnel de giro utiliza una balanza giratoria, ni siquiera se necesita la escala dinámica de masas e inercias, y se puede utilizar un modelo de túnel normal. Sin embargo, si el giro resultante es de naturaleza oscilante, el túnel de giro libre tiene una ventaja, porque esto se hace evidente en la prueba. En un túnel cerrado solo obtienes dos puntos de equilibrio y debes hacer la conexión tú mismo.

Una tercera forma son las pruebas de vuelo libre de modelos, pero son mucho más costosas y permiten menos observaciones que los túneles de viento.

La característica de pérdida es un poco más difícil de predecir usando modelos, pero nuevamente puede sacar conclusiones de lo que se puede ver en el túnel. Para llegar al coeficiente de elevación máximo a partir del valor medido en Re = 1 000 000, puede utilizar esta escala:

La siguiente gráfica muestra la diferencia en el coeficiente de sustentación entre un modelo pequeño y un avión a escala real. Las mayores diferencias están en torno a la entrada en pérdida, y en los altos ángulos de ataque vistos en los giros, ambos muestran un comportamiento bastante similar.

Coeficiente de sustentación sobre el ángulo de ataque para modelos y aeronaves a escala real, tomado de la monografía de Joseph Chambers sobre pruebas con modelos ( Vuelo de modelado: el papel de los modelos de vuelo libre escalados dinámicamente en apoyo de los programas aeroespaciales de la NASA ).

Para aeronaves pequeñas, el costo relativo de una prueba de túnel es normalmente inadecuado. En su lugar, se utiliza la cosa real. Dado que las velocidades involucradas son pequeñas, las pruebas de giro se llevan a cabo con un paracaídas de giro o una masa liberable en la cola de la aeronave. En los diseños modernos, incluso se puede emplear un sistema de paracaídas balístico de aeronave completa para evitar un choque si la prueba de giro termina en una situación irrecuperable.

Instalación de tolva giratoria en un Columbia 400 ( fuente de la imagen )

Se están utilizando modelos a escala para determinar las características de giro de los aviones tripulados. Por ejemplo, vea esta imagen de Modeling Flight: The Role of Dynamically Scaled Free-Flight Models in Support of NASA's Aerospace Programs de Joseph R. Chambers:

Sin embargo, existen importantes dificultades para modelar correctamente las características de giro de la aeronave.

Para que un modelo simule correctamente una aeronave a escala real, ambos deben ser dinámicamente similares, es decir, la trayectoria de vuelo y los desplazamientos angulares del modelo y la aeronave serán idénticos (geometricamente), aunque la escala de tiempo generalmente variará.

Para que el modelo reproduzca fielmente las características de giro de la aeronave, el (equilibrio de) parámetros aerodinámicos e inerciales debería ser similar. El modelo debe ser escalado (además de los parámetros geométricos) en la masa, momento de inercia, velocidad lineal y angular, etc. Por ejemplo, los factores de escala en caso de flujo incompresible son:

Imagen de Modeling Flight: el papel de los modelos de vuelo libre escalados dinámicamente en apoyo de los programas aeroespaciales de la NASA por Joseph R. Chambers

En caso de flujo compresible, se requiere aún más escalado:

Imagen de Modeling Flight: el papel de los modelos de vuelo libre escalados dinámicamente en apoyo de los programas aeroespaciales de la NASA por Joseph R. Chambers

El problema es que no es posible duplicar fielmente todo este escalado; tiene razón en que el número de Reynolds es el problema más importante involucrado. Spin implica (parcial o totalmente) flujos separados, que se ven significativamente afectados por el número de Reynolds.

El mencionado informe concluye:

Los datos muestran aumentos significativos en la magnitud y el ángulo de ataque para la sustentación máxima a medida que el número de Reynolds aumenta desde las condiciones del modelo hasta el valor de escala completa. Dichos resultados pueden afectar significativamente la predicción de las características de vuelo del avión cerca y por encima de la pérdida.

Otro problema es el costo de crear un modelo; Hay costos significativos involucrados en el modelado y prueba correctos (al menos pruebas de caída) de estos sistemas, cuyos recursos no están disponibles para todos los programas, excepto para los más costosos. Por ejemplo, The Spinning of Aircraft- A Discussion of Spin Prediction Techniques , Report no AD-A216-200 concluye:

La técnica del modelo de caída que utiliza modelos a escala de aproximadamente 1/4... tiene el potencial de cubrir todas las fases del giro. Sin embargo, debido al costo y los requisitos sustanciales de mano de obra, solo se vuelve viable para proyectos importantes.

Estas son las razones por las que no vemos que se utilicen modelos a escala para modelar las características de giro de los aviones GA y ultraligeros.