Aeroelasticidad
Aeroelasticidad es la rama de la física y la ingeniería que estudia las interacciones entre las fuerzas de inercia, elásticas y aerodinámicas que se producen cuando un cuerpo elástico está expuesto al flujo de un fluido. El estudio de la aeroelasticidad puede clasificarse en términos generales en dos campos: aeroelasticidad estática que se ocupa de la respuesta estática o de estado estable de un cuerpo elástico al flujo de un fluido; y aeroelasticidad dinámica que se ocupa de la respuesta dinámica (típicamente vibracional) del cuerpo.
Las aeronaves son propensas a los efectos aeroelásticos porque deben ser livianas y soportar grandes cargas aerodinámicas. Las aeronaves están diseñadas para evitar los siguientes problemas aeroelásticos:
- divergencia donde las fuerzas aerodinámicas aumentan el ángulo de ataque de un ala que aumenta aún más la fuerza;
- control reversal donde la activación del control produce un momento aerodinámico opuesto que reduce, o en casos extremos, revierte la eficacia del control; y
- Disipador que es la vibración incontenida que puede conducir a la destrucción de un avión.
Los problemas de aeroelasticidad se pueden prevenir ajustando la masa, la rigidez o la aerodinámica de las estructuras que se pueden determinar y verificar mediante el uso de cálculos, pruebas de vibración del suelo y pruebas de aleteo de vuelo. El aleteo de las superficies de control generalmente se elimina mediante la colocación cuidadosa de balances 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
La segunda falla del avión prototipo de Samuel Langley en el Potomac se atribuyó a efectos aeroelásticos (específicamente, divergencia torsional). Uno de los primeros trabajos científicos sobre el tema fue la Teoría de la estabilidad de un avión rígido de George Bryan, publicada en 1906. Los problemas con la divergencia torsional plagaron a los aviones en la Primera Guerra Mundial y se resolvieron en gran parte mediante pruebas. -y-error y rigidización ad hoc del ala. El primer caso registrado y documentado de aleteo en una aeronave fue el que le ocurrió a un bombardero Handley Page O/400 durante un vuelo en 1916, cuando sufrió una violenta oscilación de cola, lo que provocó una distorsión extrema del fuselaje trasero y los elevadores para moverse. asimétricamente Aunque la aeronave aterrizó sin problemas, en la investigación posterior se consultó a F. W. Lanchester. Una de sus recomendaciones fue que los ascensores izquierdo y derecho deberían estar conectados rígidamente por un eje rígido, lo que posteriormente se convertiría en un requisito de diseño. Además, se pidió al Laboratorio Nacional de Física (NPL) que investigara teóricamente el fenómeno, lo que posteriormente llevaron a cabo Leonard Bairstow y Arthur Fage.
En 1926, Hans Reissner publicó una teoría de la divergencia de las alas, lo que llevó a una mayor investigación teórica sobre el tema. El término aeroelasticidad en sí mismo fue acuñado por Harold Roxbee Cox y Alfred Pugsley en el Royal Aircraft Establishment (RAE), Farnborough a principios de la década de 1930.
En el desarrollo de la ingeniería aeronáutica en Caltech, Theodore von Kármán inició un curso "Elasticidad aplicada a la Aeronáutica". Después de impartir el curso durante un trimestre, Kármán se lo pasó a Ernest Edwin Sechler, quien desarrolló la aeroelasticidad en ese curso y en la publicación de libros de texto sobre el tema.
En 1947, Arthur Roderick Collar definió la aeroelasticidad como "el estudio de la interacción mutua que tiene lugar dentro del triángulo de las fuerzas de inercia, elásticas y aerodinámicas que actúan sobre los elementos estructurales expuestos a una corriente de aire, y la influencia de este estudio sobre diseño".
Aeroelasticidad estática
En un avión, pueden ocurrir dos efectos aeroelásticos estáticos significativos. La divergencia es un fenómeno en el que el giro elástico del ala de repente se vuelve teóricamente infinito, lo que normalmente hace que el ala falle. La inversión de control es un fenómeno que ocurre solo en alas con alerones u otras superficies de control, en las que estas superficies de control invierten su funcionalidad habitual (por ejemplo, se invierte la dirección de balanceo asociada con un momento de alerón determinado).
Divergencia
La divergencia ocurre cuando una superficie de sustentación se desvía bajo una carga aerodinámica en una dirección que aumenta aún más la sustentación en un circuito de retroalimentación positiva. El aumento de sustentación desvía más la estructura, lo que eventualmente lleva a la estructura al punto de divergencia.
| Equations for divergence of a simple rayo |
|---|
La Divergencia se puede entender como una propiedad simple de las ecuaciones diferenciales que rigen la deflexión del ala. Por ejemplo, modelar el ala de avión como un haz isotrópico Euler–Bernoulli, la ecuación torsional incoupled del movimiento es
Donde Sí. es la dimensión transversal, Silencio es el giro elástico de la viga, GJ es la rigidez torsional de la viga, L es la longitud del haz, y M’ es el momento aerodinámico por longitud de unidad. Bajo una simple teoría de forzar el momento aerodinámico es de la forma
Donde C es un coeficiente, U es la velocidad de fluido de corriente libre, y α0 es el ángulo inicial del ataque. Esto produce una ecuación diferencial ordinaria de la forma
Donde
Las condiciones de límite para un haz sin pinzas (es decir, un ala de cañón) son
que produce la solución
Como se puede ver, porque λL = π/2 + nπ, con número entero arbitrario n, tan(λL) es infinito. n = 0 corresponde al punto de divergencia torsional. Para los parámetros estructurales dados, esto corresponderá a un único valor de la velocidad de flujo libre U. Esta es la velocidad de divergencia torsional. Tenga en cuenta que para algunas condiciones de frontera especiales que pueden ser implementadas en una prueba de túnel de viento de un airfoil (por ejemplo, una restricción torsional colocada hacia adelante del centro aerodinámico) es posible eliminar el fenómeno de la divergencia en conjunto. |
![{displaystyle theta =alpha _{0}[tan(lambda L)sin(lambda y)+cos(lambda y)-1].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cf8be1c51e8936d905ecef77f06044419a56e993)
Inversión de control
La inversión de la superficie de control es la pérdida (o inversión) de la respuesta esperada de una superficie de control, debido a la deformación de la superficie de elevación principal. Para modelos simples (por ejemplo, un solo alerón en un haz de Euler-Bernoulli), las velocidades de inversión de control se pueden derivar analíticamente como para la divergencia torsional. La inversión de control se puede utilizar para obtener una ventaja aerodinámica y forma parte del diseño del rotor servo-flap de Kaman.
Aeroelasticidad dinámica
La aeroelasticidad dinámica estudia las interacciones entre las fuerzas aerodinámicas, elásticas y de inercia. Ejemplos de fenómenos aeroelásticos dinámicos son:
Aleteo
Flutter es una inestabilidad dinámica de una estructura elástica en un flujo de fluido, causada por una retroalimentación positiva entre la deflexión del cuerpo y la fuerza ejercida por el flujo de fluido. En un sistema lineal, el "punto de aleteo" es el punto en el que la estructura experimenta un movimiento armónico simple (amortiguamiento neto cero) y, por lo tanto, cualquier disminución adicional en el amortiguamiento neto dará como resultado una autooscilación y una falla eventual. "Amortiguación neta" puede entenderse como la suma del amortiguamiento positivo natural de la estructura y el amortiguamiento negativo de la fuerza aerodinámica. El aleteo se puede clasificar en dos tipos: aleteo duro, en el que el amortiguamiento neto disminuye muy repentinamente, muy cerca del punto de aleteo; y flutter suave, en el que el amortiguamiento neto disminuye gradualmente.
En el agua, la relación de masa entre la inercia de cabeceo de la lámina y la del cilindro de fluido que la circunscribe es generalmente demasiado baja para que se produzca un aleteo binario, como se muestra en la solución explícita del determinante más simple de estabilidad del aleteo de cabeceo y oscilación.
Las estructuras expuestas a fuerzas aerodinámicas, incluidas las alas y los perfiles aerodinámicos, pero también las chimeneas y los puentes, generalmente se diseñan cuidadosamente dentro de parámetros conocidos para evitar el aleteo. Las formas romas, como las chimeneas, pueden emitir un flujo continuo de vórtices conocido como calle de vórtice de Kármán, que puede inducir oscilaciones estructurales. Las tracas normalmente se envuelven alrededor de las chimeneas para detener la formación de estos vórtices.
En estructuras complejas en las que tanto la aerodinámica como las propiedades mecánicas de la estructura no se entienden por completo, el aleteo solo se puede descartar mediante pruebas detalladas. Incluso cambiar la distribución de masa de un avión o la rigidez de un componente puede inducir aleteo en un componente aerodinámico aparentemente no relacionado. En su forma más leve, esto puede aparecer como un "zumbido" en la estructura de la aeronave, pero en su forma más violenta, puede desarrollarse sin control a gran velocidad y causar graves daños a la aeronave o conducir a su destrucción, como en el Vuelo 2 de Northwest Airlines en 1938, el Vuelo 542 de Braniff en 1959, o los prototipos de El avión de combate VL Myrsky de Finlandia a principios de la década de 1940. Famoso, el puente Tacoma Narrows original posiblemente fue destruido como resultado del aleteo aeroelástico.
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.
Revoloteo de hélice
Aleteo de torbellino de 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 soporte de la góndola. Puede ocurrir inestabilidad dinámica que implique grados de libertad de cabeceo y guiñada de la hélice y los soportes del motor que conducen a una precesión inestable de la hélice. La falla de los soportes del motor provocó que se produjera un aleteo en dos aviones Lockheed L-188 Electra, en 1959 en el vuelo 542 de Braniff y nuevamente en 1960 en el vuelo 710 de Northwest Orient Airlines.
Aeroelasticidad transónica
El flujo es altamente no lineal en el régimen transónico, dominado por ondas de choque en movimiento. Evitar el aleteo es una misión crítica para los aviones que vuelan a través de números de Mach transónicos. El papel de las ondas de choque fue analizado por primera vez por Holt Ashley. Farmer y Hanson, del Langley Research Center, informaron en mayo de 1976 de un fenómeno que afecta a la estabilidad de las aeronaves, conocido como "caída transónica", en el que la velocidad de aleteo puede acercarse a la velocidad de vuelo.
Buffet
El golpeteo es una inestabilidad de alta frecuencia causada por la separación del flujo de aire o por las oscilaciones de las ondas de choque de un objeto al chocar con otro. Es causado por un impulso repentino de aumento de carga. Es una vibración forzada aleatoria. Generalmente afecta la unidad de cola de la estructura del avión debido al flujo de aire aguas abajo del ala.
Los métodos para la detección de buffet son:
- Diagrama de coeficiente de presión
- Divergencia de presión en el borde del sendero
- Computing separation from trailing edge based on Mach number
- Fuerza normal que fluctúa la divergencia
Predicción y cura
En el período 1950-1970, AGARD desarrolló el Manual sobre aeroelasticidad que detalla los procesos utilizados para resolver y verificar problemas aeroelásticos junto con ejemplos estándar que pueden usarse para probar soluciones numéricas.
La aeroelasticidad implica no solo las cargas aerodinámicas externas y la forma en que cambian, sino también las características estructurales, de amortiguación y de masa de la aeronave. La predicción implica hacer un modelo matemático de la aeronave como una serie de masas conectadas por resortes y amortiguadores que se ajustan para representar las características dinámicas de la estructura de la aeronave. El modelo también incluye detalles de las fuerzas aerodinámicas aplicadas y cómo varían.
El modelo se puede usar para predecir el margen de fluctuación y, si es necesario, probar soluciones a problemas potenciales. Pequeños cambios cuidadosamente elegidos en la distribución de masa y la rigidez estructural local pueden ser muy efectivos para resolver problemas aeroelásticos.
Los métodos para predecir el aleteo en estructuras lineales incluyen el p-método, el k-método y el p-k método.
Para los sistemas no lineales, el aleteo generalmente se interpreta como una oscilación de ciclo límite (LCO), y se pueden usar métodos del estudio de sistemas dinámicos para determinar la velocidad a la que ocurrirá el aleteo.
Medios
Estos videos detallan el programa de investigación de vuelo de dos fases de la NASA y la Fuerza Aérea Active Aeroelastic Wing para investigar el potencial de las alas flexibles que giran aerodinámicamente para mejorar la maniobrabilidad de los aviones de alto rendimiento a velocidades transónicas y supersónicas, con superficies de control tradicionales como alerones. y flaps de borde de ataque utilizados para inducir el giro.
Película lapsada de tiempo de Active Aeroelastic Wing (AAW) Prueba de carga de Ala, Diciembre, 2002
F/A-18A (ahora X-53) Prueba de vuelo de Ala Aeroelástica Activa (AAW), diciembre, 2002
Fallos aeroelásticos notables
- El puente original de los Narrows de Tacoma fue destruido como resultado de la aeroelástica fluttering.
- Propeller batidor del Lockheed L-188 Electra en el vuelo Braniff 542.
- 1931 Fallo Transcontinental & Western Air Fokker F-10.
- La libertad corporal desborda el dron GAF Jindivik.
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