¿Cómo realizar un cálculo de rendimiento de "primer principio"?

Soy estudiante de doctorado en dinámica y control de vuelo. Esta semana se me asignó la tarea de realizar una investigación sobre los métodos de cálculo del rendimiento de las aeronaves. Después de algunas búsquedas en Internet, descubrí que los métodos tradicionales dependían de los datos tabulados en el manual de vuelo del avión (APM), y hace aproximadamente una década, tanto Boeing como Airbus comenzaron a realizar cálculos de rendimiento utilizando el método del "primer principio".

Leí en un documento de Circular de Asesoramiento que proporciona una definición de este método:

Un cálculo utilizando parámetros básicos como sustentación, arrastre, potencia o empuje, etc. con las ecuaciones de movimiento. ( AC No: 25.1581-1, Cambio 1. )

Y un documento de Airbus da alguna explicación sobre este método:

El siguiente paso en el proceso de cálculo del rendimiento, denominado OCTOPUS (Software universal operativo y certificado de despegue y aterrizaje), no solo ofrece las mismas ventajas que el TLC, sino que también cambia drásticamente el método de cálculo del rendimiento. Ya no se basa en datos precalculados, sino que utiliza el modo de "primer principio" que permite un cálculo real a tiempo para beneficiarse de un mayor peso de despegue. En lugar de resultados de rendimiento precalculados suavizados, la base de datos de rendimiento de OCTOPUS contiene todas las características del avión y del motor, lo que permite el cálculo del rendimiento basado en ecuaciones físicas. Además, OCTOPUS presenta un formato de gráfico de despegue nuevo y mejorado, con su uso de múltiples configuraciones e influencias. (" Familiarizarse con el rendimiento de las aeronaves ", Airbus)

Sin embargo, no he encontrado ningún documento o informe sobre este tema. ¿Hay alguien por ahí que pueda ayudar ofreciendo algunos detalles de este método o proporcionando algunas referencias?

Respuestas (3)

Las ecuaciones de movimiento son la parte fácil. En esencia, observa todas las fuerzas que afectan a la aeronave (ascensor, empuje, arrastre, peso) y las equilibra con los ajustes de control adecuados (elevador, aceleración) y aceleraciones (si empuje > arrastre, la aceleración hacia delante es (empuje - arrastre)/ masa).

Esto lo repites una y otra vez, un paso de tiempo a la vez. En el siguiente paso de tiempo, la aeronave alcanza una nueva velocidad, que se obtiene multiplicando la aceleración hacia adelante por el tiempo y la altitud si la velocidad de ascenso es distinta de cero. La nueva masa modificada es la masa anterior menos el combustible consumido durante el último paso de tiempo. Y así. Esto implica traslaciones de coordenadas, ya que algunas fuerzas se definen en la aerodinámica y otras en el sistema de coordenadas del avión. NASA Langley ha publicado un software de código abierto que hace exactamente eso ( LaRCsim ).

Para obtener una precisión muy alta, incluso puede modelar las inercias y calcular qué deflexión de alerón se necesita para llegar a la velocidad de balanceo deseada en el siguiente paso de tiempo, pero incluso sin eso, obtendrá datos muy precisos si las fuerzas son correctas.

La parte difícil es llegar a las fuerzas correctas. Hemos tenido varias preguntas aquí solicitando los datos aerodinámicos de los aviones de pasajeros modernos, y cada vez que la respuesta fue: se mantienen en secreto. Necesita hacer su propio análisis, y es lo mismo con los datos del motor. Los métodos más antiguos se basaban en datos tabulados, pero para calcular condiciones fuera de la validez de la tabla, necesitan calcular las fuerzas de forma analítica. Para tener una idea de qué parámetros deben tenerse en cuenta, consulte esta respuesta sobre el módulo Boeing SCAP .

Sin embargo, incluso algunas suposiciones rudimentarias pueden acercarte mucho al resultado real.

Encuentro que los datos básicos de elevación/arrastre son sorprendentemente precisos para el rendimiento (de vuelo) en el "Diseño aerodinámico de aviones de transporte" de Obert, sin embargo, no he encontrado datos abiertos similares sobre el rendimiento del motor, principalmente la relación empuje/flujo de combustible. No estoy seguro de qué tan cerca se puede llegar mediante la simulación de las ecuaciones de la dinámica del gas del motor utilizando datos abiertos similares. Para el rendimiento (certificado) de despegue y aterrizaje, también entran en juego consideraciones adicionales, ya que eso también depende del alerón, el freno e incluso las características del piloto de prueba.
Muchas gracias, Pedro. Estoy familiarizado con el modelado de la dinámica de aeronaves y la simulación de vuelo, ya que son necesarios para la validación del diseño del sistema de control. En cuanto al modelado y los cálculos/simulaciones de rendimiento posteriores, los datos aerodinámicos y el modelo del motor son realmente cruciales, aunque no fáciles de obtener (si no inalcanzables). Por ahora, estoy tratando de descubrir cómo realizar un cálculo de rendimiento de "primer principio", es decir, los procedimientos y métodos, etc. Y el cálculo real de un tipo específico de aeronave está fuera de mi alcance actual.
Ayer busqué en la web y encontré que Jeppesen y Boeing propusieron una herramienta de cálculo de rendimiento ( Jeppesen / Boeing ), en el folleto de Jeppesen, se establece explícitamente que se emplea el método del "primer principio". Supongo que es el mismo caso con el producto de Boeing, ya que el cálculo en "tiempo real" se incluye como una característica.
También busqué en Engineer Village y Web of Knowledge (dos grandes bases de datos de revistas), sin embargo, no pude encontrar ningún artículo académico o informe que explicara las técnicas específicas requeridas para tales cálculos, lo que parece extraño. Me pregunto si ya está cubierto en los libros de texto de mecánica de vuelo clásica. Tal vez necesito volver a los libros...
@Tomas: Sí, los libros de texto deberían cubrir bien el tema. La cámara de Internet es demasiado tarde, por lo que lo que necesita todavía está principalmente en libros. Para una base de datos sobre arrastre y elevación, recomiendo los libros de Sighart Hoerner . Sin embargo, debería elegir un tipo específico o crear uno genérico. Al final, necesita los datos reales de fuerzas, masas, empuje y consumo de combustible. Para la simulación del motor, use Gasturb : siempre produje una plataforma de motor a partir de él y la escalé hacia arriba y hacia abajo cuando los parámetros cambiaron en mis modelos.
@PeterKämpf Hmm, ya veo. Muchas gracias por su ayuda.

Son los datos aerodinámicos e inerciales que también se utilizan en los simuladores de vuelo completo (FFS). Tanto Airbus como Boeing proporcionan el paquete de datos para el FFS de nivel D, donde al comienzo del vuelo el instructor ingresa la carga útil, el CoG, la carga de combustible, etc. y la dinámica de la aeronave resultante se usa para simular el vuelo.

Puede echar un vistazo al software de simulador de vuelo de PC de código abierto como FlightGear, que tiene modelos de dinámica de vuelo y aerodinámica para A320 y B737. Simplificado y no certificado, por supuesto, por lo que no hay referencia a la fidelidad real, pero deberían obtener un resultado razonable si la dinámica simulada está en el estadio de béisbol.

Gracias por tu respuesta. Así que supongo que quiere decir que la principal diferencia radica en los datos utilizados para realizar el cálculo, mientras que el método de cálculo básico es el mismo, ya sea en la forma tradicional basada en datos tabulados o en la forma 'moderna' utilizando el método del "primer principio". ¿Es ese el caso?
" Un cálculo que utiliza parámetros básicos como sustentación, arrastre, potencia o empuje, etc. con las ecuaciones de movimiento ". El bit de " ecuaciones de movimientos " es claro, los " parámetros básicos " pueden causar un poco de confusión en esto. El antiguo método de referencia consistía en datos tabulados. El Primer Principio utiliza el resultado de las ecuaciones de movimiento como referencia. Tanto el método antiguo como el método del primer principio pueden usar los mismos datos aerodinámicos como entrada, probablemente también en forma de datos tabulados, y el primer principio ofrece una granularidad y una precisión mucho mayores. Muchos más grados de libertad disponibles.
Entiendo su punto, el uso de ecuaciones de movimiento como herramienta de análisis proporciona resultados y capacidades más fructíferos en el cálculo del rendimiento. ¿Alguna vez ha leído algún documento o informe que explique los detalles del uso del Método del primer principio?
Estoy familiarizado con los mismos métodos por trabajar en el código fuente de aerodinámica, motores y modelos de dinámica de vuelo de Full Flight Simulators. No he leído un documento que explique los detalles del Primer Principio, sin embargo, por la definición, entiendo que es exactamente idéntico a FFS.
Su trabajo suena genial! Gracias por su referencia, buscaré algunos documentos en el área de FFS para leer.

La única forma de hacer correctamente un cálculo del "primer principio" es evaluando (numéricamente) las ecuaciones básicas de movimiento que se encuentran en los libros de texto de mecánica de vuelo. Desafortunadamente, esto requiere mucha información sobre las características de la aeronave (p. ej., datos de arrastre o parámetros del motor) que generalmente no se publican para la mayoría de las aeronaves debido a su sensibilidad comercial. Nota al margen: ¡Las estimaciones pueden llevarte bastante lejos!

El software proporcionado por el fabricante como OCTOPUS (Airbus) o BPS (Boeing) contiene un método para evaluar numéricamente las ecuaciones de movimiento (a menudo simplificadas) y las bases de datos de aeronaves requeridas, pero que yo sepa, no están disponibles públicamente.

Sí, entiendo que para lograr cierto grado de precisión, se necesita información como coeficientes aerodinámicos y modelos de motor. Pero por ahora, estoy interesado en las técnicas/procedimientos específicos necesarios para realizar los cálculos del "primer principio". Ayer busqué en Engineer Village y Web of Knowledge (dos grandes bases de datos de revistas), sin embargo, no pude encontrar ningún artículo académico o informe que explicara las técnicas específicas, lo que parece extraño. Me pregunto si ya está cubierto en los libros de texto de mecánica de vuelo clásica.
¿Cómo realizar un cálculo de rendimiento de "primer principio"?
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