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La aeroelasticidad es la rama de la física y la ingeniería que estudia las interacciones entre las fuerzas inerciales , elásticas y aerodinámicas que se producen cuando un cuerpo elástico está expuesto a un flujo de fluido . El estudio de la aeroelasticidad se puede clasificar en dos grandes campos: la aeroelasticidad estática, que se ocupa de la respuesta estática o en estado estacionario de un cuerpo elástico a un flujo de fluido, y la aeroelasticidad dinámica, que se ocupa de la respuesta dinámica (típicamente vibracional ) del cuerpo .
Las aeronaves son propensas a sufrir efectos aeroelásticos debido a que deben ser ligeras a la vez que soportan grandes cargas aerodinámicas. Las aeronaves se diseñan para evitar los siguientes problemas aeroelásticos:
- divergencia donde las fuerzas aerodinámicas aumentan la torsión de un ala, lo que incrementa aún más las fuerzas;
- inversión del control, donde la activación del control produce un momento aerodinámico opuesto que reduce, o en casos extremos invierte, la efectividad del control; y
- El aleteo es una vibración incontrolada que puede provocar la destrucción de una aeronave.
Los problemas de aeroelasticidad pueden prevenirse ajustando la masa, la rigidez o la aerodinámica de las estructuras, lo cual puede determinarse y verificarse mediante cálculos, pruebas de vibración en tierra y ensayos de aleteo en vuelo . El aleteo de las superficies de control generalmente se elimina mediante la colocación precisa de contrapesos de masa .
La síntesis de la aeroelasticidad con la termodinámica se conoce como aerotermoelasticidad , y su síntesis con la teoría de control se conoce como aeroservoelasticidad .
Historia
El segundo fallo del prototipo de avión de Samuel Langley en el Potomac se atribuyó a efectos aeroelásticos (específicamente, divergencia torsional ). [ 1 ] Un trabajo científico temprano sobre el tema fue la Teoría de la estabilidad de un avión rígido de George Bryan , publicada en 1906. [ 2 ] Los problemas con la divergencia torsional afectaron a las aeronaves en la Primera Guerra Mundial y se resolvieron en gran medida mediante ensayo y error y el endurecimiento ad hoc del ala. El primer caso registrado y documentado de aleteo en una aeronave fue el que ocurrió en un bombardero Handley Page O/400 durante un vuelo en 1916, cuando sufrió una violenta oscilación de la cola, que causó una distorsión extrema del fuselaje trasero y el movimiento asimétrico de los elevadores. Aunque la aeronave aterrizó sin problemas, en la investigación posterior se consultó a FW Lanchester . Una de sus recomendaciones fue que los elevadores izquierdo y derecho debían estar conectados rígidamente por un eje rígido, lo que posteriormente se convertiría en un requisito de diseño. Además, se solicitó al Laboratorio Nacional de Física (NPL) que investigara el fenómeno teóricamente, lo cual fue llevado a cabo posteriormente por Leonard Bairstow y Arthur Fage . [ 2 ]
En 1926, Hans Reissner publicó una teoría de la divergencia de las alas, lo que dio lugar a mucha más investigación teórica sobre el tema. [ 1 ] El término aeroelasticidad fue acuñado por Harold Roxbee Cox y Alfred Pugsley en el Royal Aircraft Establishment (RAE), Farnborough , a principios de la década de 1930. [ 2 ]
En el desarrollo de la ingeniería aeronáutica en Caltech , Theodore von Kármán inició un curso titulado "Elasticidad aplicada a la aeronáutica". [ 3 ] Tras impartir el curso durante un semestre, Kármán se lo cedió a Ernest Edwin Sechler , quien desarrolló la aeroelasticidad en dicho curso y en la publicación de libros de texto sobre el tema. [ 4 ] [ 5 ]
En 1947, Arthur Roderick Collar definió la aeroelasticidad como "el estudio de la interacción mutua que tiene lugar dentro del triángulo de las fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas que actúan sobre los elementos estructurales expuestos a una corriente de aire, y la influencia de este estudio en el diseño". [ 6 ]
Aeroelasticidad estática
En un avión, pueden ocurrir dos efectos aeroelásticos estáticos importantes. La divergencia es un fenómeno en el que la torsión elástica del ala se vuelve teóricamente infinita, lo que suele provocar su fallo. La inversión de control es un fenómeno que ocurre únicamente en alas con alerones u otras superficies de control, en el que estas superficies invierten su funcionalidad habitual (por ejemplo, se invierte la dirección de alabeo asociada a un momento de alerón determinado).
Divergencia
La divergencia se produce cuando una superficie sustentadora se deforma bajo carga aerodinámica en una dirección que incrementa aún más la sustentación en un ciclo de retroalimentación positiva. Esta mayor sustentación deforma aún más la estructura, llevándola finalmente al punto de divergencia. A diferencia del aleteo, otro problema aeroelástico, en lugar de oscilaciones irregulares, la divergencia provoca que la superficie sustentadora se mueva en la misma dirección y, al alcanzar el punto de divergencia, la estructura se deforma.
Inversión del control
La inversión de la superficie de control es la pérdida (o inversión) de la respuesta esperada de dicha superficie, debido a la deformación de la superficie sustentadora principal. Para modelos sencillos (por ejemplo, un alerón simple en una viga de Euler-Bernoulli), las velocidades de inversión del control pueden derivarse analíticamente, al igual que para la divergencia torsional. La inversión del control puede utilizarse para obtener ventajas aerodinámicas y forma parte del diseño del rotor con servoflaps de Kaman . [ 7 ]
aeroelasticidad dinámica
La aeroelasticidad dinámica estudia las interacciones entre las fuerzas aerodinámicas, elásticas e inerciales. Algunos ejemplos de fenómenos aeroelásticos dinámicos son:
Aleteo
El aleteo es una inestabilidad dinámica de una estructura elástica en un flujo de fluido, causada por la retroalimentación positiva entre la deflexión del cuerpo y la fuerza ejercida por el flujo. En un sistema lineal , el "punto de aleteo" es el punto en el que la estructura experimenta un movimiento armónico simple ( amortiguación neta cero ), por lo que cualquier disminución adicional de la amortiguación neta dará lugar a una autooscilación y, finalmente, a una falla. La "amortiguación neta" puede entenderse como la suma de la amortiguación positiva natural de la estructura y la amortiguación negativa de la fuerza aerodinámica. El aleteo se puede clasificar en dos tipos: aleteo duro , en el que la amortiguación neta disminuye muy repentinamente, muy cerca del punto de aleteo; y aleteo suave , en el que la amortiguación neta disminuye gradualmente. [ 8 ]
En el agua, la relación de masa entre la inercia de cabeceo del perfil aerodinámico y la del cilindro de fluido que lo rodea es generalmente demasiado baja para que se produzca el aleteo binario, como lo demuestra la solución explícita del determinante de estabilidad de aleteo de cabeceo y balanceo más simple. [ 9 ]
Las estructuras expuestas a fuerzas aerodinámicas —incluidas alas y perfiles aerodinámicos, pero también chimeneas y puentes— suelen diseñarse cuidadosamente dentro de parámetros conocidos para evitar el aleteo. Las formas romas, como las chimeneas, pueden generar un flujo continuo de vórtices conocido como calle de vórtices de Kármán , que puede inducir oscilaciones estructurales. Normalmente se colocan deflectores alrededor de las chimeneas para evitar la formación de estos vórtices.
En estructuras complejas donde no se comprenden del todo la aerodinámica ni las propiedades mecánicas, el aleteo solo puede descartarse mediante pruebas detalladas. Incluso un cambio en la distribución de masa de una aeronave o en la rigidez de un componente puede inducir aleteo en un componente aerodinámico aparentemente no relacionado. En su forma más leve, esto puede manifestarse como un zumbido en la estructura de la aeronave, pero en su forma más violenta, puede desarrollarse de forma incontrolable a gran velocidad y causar graves daños a la aeronave o incluso su destrucción, [ 10 ] como ocurrió con el vuelo 2 de Northwest Airlines en 1938, el vuelo 542 de Braniff en 1959 o los prototipos del avión de combate VL Myrsky de Finlandia a principios de la década de 1940. Es bien sabido que el puente original de Tacoma Narrows fue destruido como consecuencia del aleteo aeroelástico. [ 11 ]
Aeroservoelasticidad
En algunos casos, se ha demostrado que los sistemas de control automático ayudan a prevenir o limitar la vibración estructural relacionada con el aleteo. [ 12 ]
Remolino de hélice
El aleteo por remolino de la hélice es un caso especial de aleteo que involucra los efectos aerodinámicos e inerciales de una hélice giratoria y la rigidez de la estructura de la góndola de soporte . Puede ocurrir inestabilidad dinámica que involucra los grados de libertad de cabeceo y guiñada de la hélice y los soportes del motor, lo que lleva a una precesión inestable de la hélice. [ 13 ] La falla de los soportes del motor provocó aleteo por remolino en dos aeronaves Lockheed L-188 Electra, en 1959 en el vuelo 542 de Braniff y nuevamente en 1960 en el vuelo 710 de Northwest Orient Airlines . [ 14 ]
aeroelasticidad transónica
El flujo es altamente no lineal en el régimen transónico , dominado por ondas de choque en movimiento. Evitar el aleteo es fundamental para las aeronaves que vuelan a velocidades Mach transónicas. El papel de las ondas de choque fue analizado por primera vez por Holt Ashley . [ 15 ] Un fenómeno que afecta la estabilidad de las aeronaves, conocido como "caída transónica", en el que la velocidad de aleteo puede acercarse a la velocidad de vuelo, fue reportado en mayo de 1976 por Farmer y Hanson del Centro de Investigación Langley . [ 16 ]
Vibración
El aleteo es una inestabilidad de alta frecuencia causada por la separación del flujo de aire o las oscilaciones de ondas de choque entre objetos. Se produce por un aumento repentino de la carga y es una vibración forzada aleatoria. Generalmente afecta a la cola de la aeronave debido al flujo de aire aguas abajo del ala.
Los métodos para la detección de bufets son:
- Diagrama del coeficiente de presión [ 17 ]
- Divergencia de presión en el borde de salida
- Cálculo de la separación del borde de salida en función del número de Mach
- Divergencia fluctuante de la fuerza normal
Predicción y cura
En el período 1950-1970, AGARD desarrolló el Manual de Aeroelasticidad que detalla los procesos utilizados para resolver y verificar problemas aeroelásticos junto con ejemplos estándar que pueden usarse para probar soluciones numéricas. [ 18 ]
La aeroelasticidad no solo abarca las cargas aerodinámicas externas y su variación, sino también las características estructurales, de amortiguación y de masa de la aeronave. La predicción implica la creación de un modelo matemático de la aeronave como una serie de masas conectadas por resortes y amortiguadores ajustados para representar las características dinámicas de su estructura. El modelo también incluye detalles sobre las fuerzas aerodinámicas aplicadas y su variación.
El modelo puede utilizarse para predecir el margen de aleteo y, si es necesario, probar soluciones a posibles problemas. Pequeños cambios cuidadosamente seleccionados en la distribución de masa y la rigidez estructural local pueden ser muy eficaces para resolver problemas aeroelásticos.
Los métodos para predecir el aleteo en estructuras lineales incluyen el método p , el método k y el método pk . [ 7 ]
Para sistemas no lineales , el aleteo se suele interpretar como una oscilación de ciclo límite (OCL), y se pueden utilizar métodos del estudio de sistemas dinámicos para determinar la velocidad a la que se producirá el aleteo. [ 19 ]
Medios de comunicación
Estos vídeos detallan el programa de investigación de vuelo en dos fases de la NASA y la Fuerza Aérea, denominado Ala Aeroelástica Activa, cuyo objetivo es investigar el potencial de las alas flexibles con torsión aerodinámica para mejorar la maniobrabilidad de aeronaves de alto rendimiento a velocidades transónicas y supersónicas , utilizando superficies de control tradicionales como alerones y flaps de borde de ataque para inducir la torsión.
- Vídeo a cámara rápida de la prueba de cargas alar del ala aeroelástica activa (AAW), diciembre de 2002.
- Prueba de vuelo del ala aeroelástica activa (AAW) del F/A-18A (ahora X-53), diciembre de 2002.
Fallos aeroelásticos notables
- El puente original de Tacoma Narrows fue destruido como resultado de un aleteo aeroelástico. [ 11 ]
- Aleteo y remolino de la hélice del Lockheed L-188 Electra en el vuelo 542 de Braniff .
- Accidente de un Fokker F-10 de Transcontinental & Western Air en 1931 .
- Aleteo de libertad corporal del dron GAF Jindivik . [ 20 ]
Véase también
Referencias
- 1 2 Bisplinghoff, RL; Ashley, H.; Halfman, H. (1996). Aeroelasticidad . Dover Science. ISBN 0-486-69189-6.
- 1 2 3 "Podcast de AeroSociety" .
- ↑ Theodore von Kármán (1967) El viento y más allá , página 155.
- ↑ Ernest Edwin Sechler y LG Dunn (1942) Análisis y diseño estructural de aviones del Archivo de Internet .
- ↑ Sechler, EE (1952). Elasticidad en ingeniería . Nueva York: McGraw-Hill. OCLC 2295857 .
- ↑ Collar, AR (1978). "Los primeros cincuenta años de la aeroelasticidad". Aerospace . 2. 5 : 12–20 .
- 1 2 3 Hodges, D. H. y Pierce, A., Introducción a la dinámica estructural y la aeroelasticidad , Cambridge, 2002, ISBN 978-0-521-80698-5.
- ↑ G. Dimitriadis, Universidad de Lieja, Aeroelasticidad: Lección 6: Pruebas de vuelo .
- ↑ "Aleteo binario como un molino de viento oscilante: escalamiento y análisis lineal" . Ingeniería eólica . 37. 2013.
{{cite journal}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace ) - ↑ Demostración visual de la vibración que destruye un avión RC en YouTube .
- 1 2 La adecuación de la comparación entre el aleteo en la aerodinámica de las aeronaves y el caso del puente Tacoma Narrows se discute y se cuestiona en Yusuf K. Billah, Robert H. Scanian, "Resonancia, falla del puente Tacoma y libros de texto de física para estudiantes de pregrado" ; Am. J. Phys. 59(2), 118–124, febrero de 1991.
- ↑ "Control de la respuesta aeroelástica: Cómo domar las amenazas" (PDF) .
- ↑ Reed, Wilmer H. (julio de 1967). "Revisión del aleteo giratorio del rotor de la hélice" (PDF) . Nasa . Consultado el 15 de noviembre de 2019 .
- ↑ "Lecciones aprendidas de los accidentes de aviación civil" . Consultado el 14 de diciembre de 2019 .
- ↑ Ashley, Holt (1980). "El papel de las ondas de choque en el fenómeno de aleteo 'subtransónico'". Journal of Aircraft . 17 (3): 187– 197. doi : 10.2514/3.57891 .
- ↑ Farmer, MG; Hanson, PW (1976). "Comparación de las características de aleteo de alas supercríticas y convencionales". NASA Tm X-72837 . doi : 10.2514/6.1976-1560 . hdl : 2060/19760015071 . S2CID 120598336 .
- ↑ Golestani, A.; et al. (2015). "Un estudio experimental de detección de vibraciones en perfiles aerodinámicos supercríticos en régimen transónico". Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte G: Revista de Ingeniería Aeroespacial . 229 (2): 312– 322. doi : 10.1177/0954410014531743 . S2CID 110673867 .
- ↑ "Manual de Aeroelasticidad - Índice de temas y autores" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 14 de diciembre de 2019. Consultado el 14 de diciembre de 2019 .
- ↑ Tang, DM (2004). "Efectos de la no linealidad estructural geométrica en el aleteo y las oscilaciones de ciclo límite de alas de alta relación de aspecto". Smart Materials and Structures . 19 (3): 291– 306. Bibcode : 2004JFS....19..291T . doi : 10.1016/j.jfluidstructs.2003.10.007 .
- ↑ Kepert, JL (1993). Investigación de accidentes aéreos en ARL: los primeros 50 años (PDF) (Informe). Organización de Ciencia y Tecnología de la Defensa . Archivado (PDF) del original el 27 de septiembre de 2019.
Lecturas adicionales
- Bisplinghoff, RL , Ashley, H. y Halfman, H., Aeroelasticidad . Dover Science, 1996, ISBN 0-486-69189-6, 880 págs.
- Maurice Biot y L. Arnold (1948) "Aleteo a baja velocidad y su interpretación física", Journal of Aeronautical Sciences 15: 232–6
- Dowell, EH, Un curso moderno sobre aeroelasticidad . ISBN 90-286-0057-4.
- Fung, YC, Introducción a la teoría de la aeroelasticidad . Dover, 1994, ISBN 978-0-486-67871-9.
- Hodges, DH y Pierce, A., Introducción a la dinámica estructural y la aeroelasticidad , Cambridge, 2002, ISBN 978-0-521-80698-5.
- Wright, JR y Cooper, JE, Introducción a la aeroelasticidad y las cargas en aeronaves , Wiley 2007, ISBN 978-0-470-85840-0.
- Hoque, ME, "Control activo de aleteo", LAP Lambert Academic Publishing , Alemania, 2010, ISBN 978-3-8383-6851-1.
- Collar, AR, "Los primeros cincuenta años de la aeroelasticidad", Aerospace, vol. 5, n.º 2, págs. 12-20, 1978.
- Garrick, IE y Reed WH, "Desarrollo histórico del aleteo de las aeronaves", Journal of Aircraft, vol. 18, pp. 897–912, noviembre de 1981.
- Patrick R. Veillette (23 de agosto de 2018). "Vibraciones a baja velocidad: Persiste la debilidad en el entrenamiento a gran altitud y en condiciones transónicas" . Aviación comercial y empresarial . Aviation Week Network.
Enlaces externos
- Departamento de Aeroelasticidad – Centro de Investigación Langley de la NASA
- Instituto de Aeroelasticidad del DLR
- Laboratorio Aeroespacial Nacional
- Grupo de Aeroelasticidad – Universidad de Texas A&M
- Informes técnicos de la NACA – Centro de Investigación Langley de la NASA
- Manual de aeroelasticidad de la NASA
- Aerodinámica
- Diseño de alas de aeronaves
- Ingeniería aeroespacial
- Mecánica de sólidos
- Elasticidad (física)
