Para un avión comercial grande al aterrizar, ¿la relación L/D aumenta, disminuye o no cambia mucho?

Considere un gran avión comercial que se acerca para aterrizar. La parte exacta que me interesa es la bengala (donde el avión sube pero en realidad no sube más por encima del suelo), con los flaps extendidos, pero antes de que entre en juego cualquier efecto de suelo.

En comparación con el crucero normal, ¿aumenta, disminuye o no cambia mucho la relación de elevación a arrastre?

El aumento del ángulo de ataque aumenta tanto la sustentación como la resistencia, pero probablemente no en las mismas proporciones. No estoy muy seguro de en qué dirección va la curva para un perfil aerodinámico típico.

Además, hay una complicación realmente dura: la bengala también hace que los motores apunten hacia arriba también. Esto significa que algo de "ascenso" es generado directamente por el componente vertical de empuje de los motores. No es realmente ascensor; una forma más precisa de decirlo es que las alas no necesitan producir tanta sustentación como antes, porque los motores contribuyen directamente a contrarrestar la gravedad.

Eso podría sugerir que la L/D de hecho disminuye, lo que parece tan contradictorio.

Los números reales de L/D en ambas etapas del vuelo serían la respuesta más sólida posible. Pero me pregunto si los L/D citados por los fabricantes se derivan de una simple prueba en un túnel de viento (con diferentes AoA y configuración de flaps) o si realmente tienen en cuenta los motores que apuntan hacia arriba y su empuje típico durante el arranque (que sería medirse mejor como un porcentaje del peso de la aeronave en ese punto, y el desorden se complica).

Los pilotos de "aviones comerciales grandes" a menudo no hacen mucho en el camino de una bengala. Es decir, a menudo hay un cambio mínimo en el tono. Incluso para aviones multimotor más pequeños como un Piper Aztec, no ensanchamos de la misma manera que con un Piper Cherokee. Haga referencia a este video del aterrizaje de un 737 . Tenga en cuenta la ausencia de cambio de paso neto.

Respuestas (2)

En la bengala ya estás en efecto suelo. Tal vez deberíamos comparar la aproximación final con la de crucero.

La respuesta es simple: L/D es mucho peor en la configuración de aproximación. El ala compra la mayor capacidad de elevación con un aumento de arrastre relativamente mayor. Esto no es del todo malo: si el L/D es demasiado alto, un aterrizaje preciso se vuelve mucho más difícil. Además, un poco más de resistencia le permite hacer funcionar los motores por encima del ralentí, por lo que la puesta en marcha para dar una vuelta lleva menos tiempo. En general, desea que la L/D esté entre 5 y 10 para aterrizar. Demasiado, y la aproximación se vuelve demasiado superficial para una selección precisa del punto de toma de contacto, y demasiado poco , y pierde demasiada energía en el enderezamiento, por lo que desacelera demasiado rápido en esa fase final donde se reduce la velocidad de descenso.

Compare eso con la L/D de los aviones modernos en crucero, que es de alrededor de 16 para diseños como el Boeing 747 y más de 20 para el Boeing 787 o el A350.

Puedes estudiar esto a bajo precio en planeadores. Elige uno con flaps potentes, como el ASW 20 o el ASH 25 . Trate de aterrizar con todos los alerones y alerones completamente extendidos: nunca llegará a un aterrizaje suave, pero déjese caer sobre la rueda en algún lugar antes de que se complete la bengala. Luego intente aterrizarlos con flaps configurados para un vuelo lento y sin spoilers: necesita una pista muuuy larga para hacerlo.

La contribución de los motores a la sustentación durante el arranque es muy moderada. No funcionan a plena potencia, e incluso si lo hicieran, su empuje combinado sería solo quizás el 30% del peso del avión. Dado que no apuntan directamente hacia arriba, sino solo unos 10 °, el componente vertical sería solo del 5% incluso con empuje total. En realidad, funcionan un poco por encima del ralentí y su contribución de elevación es solo del 2% como máximo.

Comparación de efectividad del tipo de aleta

Comparación de efectividad del tipo de aleta ( fuente de la imagen ). La L/D es solo para la sustentación máxima, no al 60 %, lo que sería más representativo para un coeficiente de sustentación de aproximación, pero la tendencia a una L/D más baja con un coeficiente de sustentación máxima más alto debería ser obvia.

Podría haber jurado que he visto bengalas en algunas altitudes bastante "tempranas" en la aproximación final en mi aeropuerto internacional local. Acabo de buscar en Google a qué altitud comienza el efecto suelo y no pude encontrar un número. ¿Tal vez comienza mucho más alto de lo que pensaba?
@DrZ214: En general, se acepta que comienza a sentirse a una altura igual a la cuerda del ala. El objetivo es volar cerca del suelo y hacer bengalas para que la velocidad de descenso se detenga cuando las ruedas toquen el suelo. Enciende demasiado pronto y te quedas alto con muy poca velocidad. ¡Mala idea!
@DrZ214 El efecto de suelo varía según la envergadura del avión. La fuerza del efecto suelo es relativa a la distancia desde el suelo y comienza a una distancia de envergadura . Consulte este artículo de Boldmethod para obtener más detalles con buenas ilustraciones y gráficos.
@ peter-kämpf Creo que te refieres a una envergadura. Si fuera igual a la cuerda del ala, muchas aeronaves nunca encontrarían ningún efecto suelo.
@PeterKämpf Con respecto a su comentario, y aparte de los errores ya señalados con respecto al efecto suelo, está describiendo la técnica de aterrizaje para aviones ligeros, no para aviones comerciales grandes.
También quiero señalar que a la tabla le falta una columna clave: AoA donde se maximiza L/D (pero esto también necesita una velocidad aerodinámica determinada). En este momento está mostrando L/D en CL max (que curiosamente tampoco da una velocidad aerodinámica). No son mala información en absoluto, pero tenía la impresión de que aumentar el AoA del ala aumenta tanto L como L/D hasta cierto punto. Usted mencionó una llamarada de 10 grados en su respuesta. ¿Podría ser eso?
@JonathanWalters: Su fuente y Wikipedia parecen seguir un meme que no he encontrado hasta ahora. Confío más en la literatura científica , y aunque hay un efecto de suelo dominado por la amplitud y dominado por la cuerda, el consenso es que el efecto de suelo realmente comienza solo por debajo de una altitud equivalente a la longitud de la cuerda. Además, me interesaría saber en qué se diferencia el aterrizaje de aviones grandes del aterrizaje de aviones ligeros.
@Adam: No. El efecto de suelo dominado por tramos es pequeño en comparación con el efecto de suelo dominado por cuerdas. Intente comparar aeronaves de cuerda similar pero diferente envergadura. Lo que realmente cambia con la envergadura de las alas es el efecto de la turbulencia del viento. Por debajo de una envergadura, el avión comienza a volar mucho más suave, incluso con viento áspero y racheado.
@peter ¡Eso suena como una buena pregunta nueva!
@peter Para obtener más literatura científica sobre el efecto suelo, consulte el libro de Rozhdestvensky si lo desea.
@peter-kämpf, dijiste que en la llamarada estás en efecto suelo. Pocas alas de aviones están dentro de 1 cuerda del suelo en el momento del ensanchamiento, por lo que si tiene un rango de una cuerda, esto tiene que ser incorrecto. Si bien el efecto suelo disminuye rápidamente con la altitud, y no está simplemente presente o no, una envergadura es una aproximación útil para el rango del efecto suelo.

La relación L/D suele ser menor, es decir, peor en configuración de aterrizaje que en crucero. Básicamente, los dispositivos de sustentación alta en el ala compensan cierta eficiencia (L/D) por sustentación adicional. En cierto sentido, esto es lo que desea porque en ese punto le preocupa más obtener más sustentación a menor velocidad.

La siguiente tabla de NACA Technical Note 1930 muestra el cambio en la relación L/D en diferentes configuraciones en comparación con el crucero.

relación L/D

Imagen de un análisis del efecto de la relación sustentación-arrastre y la velocidad de pérdida en la velocidad de pérdida y las características de la llamarada de aterrizaje por J.Calvin Lovell y Stanley Lipson

La NASA utilizó un avión CV 990 para llevar a cabo estudios de aproximación y aterrizaje de baja relación L/D, que indican que, en condiciones de aterrizaje, a medida que se extienden los flaps, la relación L/D empeora. Los datos se obtuvieron con una deflexión del 100 por ciento del spoiler (freno de velocidad) en configuraciones de flaps de 0 ∘ , 10 ∘ , y 27 ∘ con 100 ∘ spoiler (ajustes del freno de velocidad).

CV 990

Imagen de la Nota técnica de la NASA D-6732 Estudios de aproximación y aterrizaje con relación de elevación a arrastre baja utilizando un avión CV-990 por Berwin M. Kock, Fitzhugh L. Fulto11, Jr. y Fred ]· Drinkwater III

Debido a los efectos aerodinámicos, pasaron a utilizar 36 ∘ flaps y 25 por ciento de spoilers en su lugar. Los datos de los modelos de túnel de viento de la NASA también indican que a medida que se extienden los alerones, la relación L/D disminuye.

Datos L/D

Imagen de Influencia del rendimiento aerodinámico a baja velocidad en el ruido de la comunidad aeroportuaria por Andrew March; Datos del documento técnico de la NASA 1580 Rendimiento aerodinámico a baja velocidad de un modelo de transporte de ala supercrítica de alta relación de aspecto equipado con aletas de doble ranura de envergadura completa y ensanchamiento parcial por Morgan, HL, Jr. y Paulson, JW, Jr.

La primera referencia tiene datos para otros aviones Boeng (727,747, etc.) que también indican que la relación L/D sufre a medida que se extienden los flaps.

En un sentido simple, podemos pensar así: la aeronave está volando cerca de la relación L/D máxima (para aviones comerciales de hélice y de derivación grande) durante el crucero. Cualquier cambio de esta configuración probablemente resultará en una menor relación L/D. Esto es lo que sucede durante el aterrizaje.

Los motores contribuyen solo en una cantidad mínima al 'ascenso' durante el aterrizaje. Hay algunas razones para esto. El empuje suele ser un poco más pequeño que el ascensor. Sumado a esto, los motores no suelen estar a su máxima potencia durante el aterrizaje de aviones comerciales. Además, el ángulo de cabeceo es bastante pequeño durante el aterrizaje en un avión normal. Juntando todo esto, la contribución del empuje suele ser insignificante.

Tu penúltimo y último párrafo tiene sentido. Todavía estoy tratando de entender los gráficos porque no sé cuáles son los subíndices a, b, v, f, h, v. Pero me acabo de dar cuenta de que los aviones comerciales grandes deben tener poco combustible durante el aterrizaje, lo que significa que el peso del avión es mucho menor. No es de extrañar que el empuje del motor sea tan pequeño al aterrizar.
Para un avión comercial grande al aterrizar, ¿la relación L/D aumenta, disminuye o no cambia mucho?
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