Some basic issues on Glider aerodynamic design, with a second part on new coming developments

1. Algunas cuestiones sobre el diseño Aerodinámico
de los Planeadores
Juan Claudio (Tito) Agui
Astir CS, EC-HER
Nov’2011

2. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Nuestros padres:
Klaus Holighaus 1940-1994
Estudiante de la Universidad de
Darmstadt
– Miembro de la Akaflieg Darmstad
En Schemp-Hirth desde 1965
– Diseñador de una gran serie de veleros:
Cirrus, Standard-Cirrus, Nimbus-1,
Nimbus-2, Nimbus-3, Nimbus-4, Ventus,
Ventus-2, Discus, Janus, Nimbus-3D,
Nimbus-4D and Duo-Discus.
Gran piloto de veleros, a nivel
competición mundial
– Murió a los 54 años en los Alpes en un
accidente de vuelo
2 Parte de esta presentación está basada en la Conferencia de Klaus Holighaus en la U. de Virginia en 1971)
presentació está

3. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Componentes básicos de la resistencia
de un velero
Resistencia Parásita:
– Fuselaje, empenajes, tren,
interferencias, etc..Cdparas.
Resistencia del Perfil
– Fricción en el ala, debido a
factores viscosos. Cdperfil
Resistencia Inducida
– Resistencia debida a la
forma del ala y a los
torbellinos de la punta del
ala.
A alta velocidad, Cl bajos, los efectos de fricción ( Cdparas y Cdperfil) dominan, mientras
3 que a baja velocidad Cl alto, la resistencia inducida es lo más importante

4. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Algunas ecuaciones ( las menos !)
Geometría del Avión: Vuelo en Equilibrio
L
c* = S / b
Λg = b2 / S = b / c* D
U L~W
C* S/2 W
b/2 CD = CDo + CDp + CDi
D = CD * Q * S
Número de Reynolds L = CL * Q * S …. Q = ½ ρ U2
Re = (U * c) / ν
El Re mide la importancia relativa de las
4 fuerzas de inercias vs fuerzas viscosas.

5. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
El diseño de un velero es un ejercicio
de compromiso… a Altas Velocidades
O sea, en Transición:
queremos el máximo planeo a
la máxima velocidad:
– Minima Resistencia de perfil y
parásita
Perfiles laminares a bajo Cl y
alto Reynolds
Mínima superficie “mojada”
Bajo espesor
– Máxima Carga alar
Máximo peso por unidad de
superficie Alar.
– Sqrt(Peso/Superfice) ~ V*,
Velocidad Característica
Máximo Peso ( Agua !) y
mínima Superficie
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6. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Aproximando el perfil, por medio de
una simple placa plana La resistencia
por fricción de
una placa plana,
(dos caras)
Número de
Reynolds y
rugosidad.
Cd,
Resistencia
Alta
turbulencia
Baja
Turbulencia
Re=U*l / ν
Cuerda, Velocidad crecientes
6 Queremos flujo laminar, y al mayor Re posible ! Ref: F. Thomas. Fundamentals…
Ref: Fundamentals…

7. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Influencia de la polar del Perfil en el
comportamiento del Velero: Perfiles
laminares.
Los veleros requieren un
Cd bajo en un amplio
rango de Cl
– 0,2 en crucero
– 1,4 en térmica
El flap permite “desplazar
la zona laminar a más alto
Cl
Perfiles Wortmann y
Eppler
– Superiores a perfiles
laminares de alta velocidad
Naca 662-415
(especialmente a alto Cl)
7 Ref: (Quast & Thomas, Braunschweig)

8. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Influencia del Número de Reynolds en
el Cd del perfil
Desgraciadamente la
resistencia
aerodinámica del perfil
aumenta al disminuir el
# de Reynolds…
Vuela rápido, con alta
carga alar…
Con alto alargamiento,
y en las puntas la
cuerda disminuye,
disminuyendo el Re,
aumentando la
resistencia.
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9. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Perfiles, Finos o Gordos ?
Cuando más ancho es el
“rango laminar” mayor el
Cd mínimo
Más Espeso
– Más ancho “Bucket
Laminar”
– Más robusto frente a la
contaminación,
Más Fino
– Menos Cd en Glide
– Más sensible al agua
– Menor rango de Cl
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10. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
El reto es por tanto minimizar el Cd
máximizar Cl_max.
Mínimo espesor
– Para optimizar el
planeo
– Máx Laminaridad
Uso de Flaps:
– Aumenta Cl_max
– Disminuye Cd a Cl
Altos
El truco está en aumentar
la zona laminar, y en
gestionar el paso a
turbulento y el
desprendimiento de las
burbujas…
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11. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Evolución de los Perfiles de los
Veleros
SGS 1-21
ASW-19 SB-10
Vampyr ASK-21
(tip) StdCirrus Nimbus
Grunau B. Foka-4 Astir CS SB-11
Weihe-50 FS24 Phoenix Std.Libelle SB-11
ASW-22 ?? ASW 24 ASW-27
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12. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Mientras que en térmica, los
requerimientos son contrarios….
Alto Alargamiento y Optima
planta de ala
– Para minimizar la Resistencia
inducida
Máximo Cl
– Clmax alto minimiza la
velocidad de térmica
– Buenas características en
Pérdida
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13. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Para la Térmica: Minimizar la
resistencia inducida
Dos factores clave:
– Alargamiento
– Forma en Planta alar, para conseguir
distribución elíptica de la Sustentación
(min Cdi)
13 ε = Torsión en las Puntas
Torsió

14. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
La forma del ala y sus perfiles son críticos
para su comportamiento en pérdida
La forma “elíptica” proporciona
un Cl constante y ofrece la
mínima Cdi.
Diversos esquemas con sectores
tienen a aproximarse a esta
forma del ala.
El Cl.c, gobierna la entrada en
pérdida de las puntas, o la raíz
del ala, y el control en tal caso
de pérdida.
De nuevo con una doble
contracción se obtiene la
solución óptima
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15. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
En suma, existe un alargamiento óptimo, que
depende del Cl más representativo a tomar
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16. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Alargamientos y Envergaduras
Astir CS DG-300
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17. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Evolución en la planta alar
(Alargamiento, Forma elíptica, Winglets)
b Λ c w/S L/D
15 18,1 0,83 28,2 37,3 38
AstirCS
18 30,4 0,59 33 57,1 50
ASG29
20 31,7 0,63 42 52,4 56
Antares-20
Eta
30,5 51,3 0,59 38 51 72
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18. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Nuevos desarrollos:
LMM Boermans
Profesor de Aerodinámica de Baja
Velocidad en la Tech. University Delft
Presidente de la OSTIV ( Organización
Científica para el Vuelo a Vela)
FAI Pirat Gehriger Diploma
Contribuidor clave en la mayoría de los
desarrollos más modernos:
– Antares
– Stemme S family
– Mü-31
– Concordia
Ver http://vimeo.com/14487449
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19. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Qué se puede hacer ??
Disminuir la fricción del Ala
– Aumentar el % Laminar del Perfil, con nuevos perfiles, o con
succión.
Disminuir CDi
– Winglets ( aumentar la envergadura equivalente )
– Aumentar el alargamiento
Baja el # Numero de Reynolds
Disminuir la Resistencia Parásita
– Disminuir la resistencia del fuselaje
– Mejorar la integración ala-fuselaje
Principalmente basado en “The shape of things to come” por
19 LMM Boermans Sailplane and Gliding Aug/Sep 2009

20. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Perfiles Laminares a Bajos Números
de Reynolds (Largo Alargamiento)
DU-97-127-15M
12% Espesor
Antares
Eppler E-603 Wortmann FX67-K-170
19% espesor 17% Espesor
Astir CS PIK-20
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21. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
DU-97-127-15M
Perfil de última
generación (Antares)
Mínima resistencia a
en un amplio rango
de Cl.
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22. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Succión de la Capa Límite
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23. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
La succión ofrece, en teoría, menor
resistencia y mayor sustentación
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24. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Lo que debe redundar en unas prestaciones
muy superiores para el planeador
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25. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Interferencia Fuselaje-Ala
El efecto del fuselaje sobre las alas es un aumento,
especialmente a alto CL del ángulo de ataque en la raiz,
produciendo separaciones y transiciones adelantadas.
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26. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Qué hacer ? Minimizar el flujo-Alfa,
doblando el fuselaje…
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27. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Qué hacer ? Cambiar los perfiles de la
raíz a las puntas…
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28. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Qué hacer ? O separar el ala del
fuselaje.
Mü31
Fritz Johl
J-5
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29. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Qué hacer ? Pensar de forma
radicalmente diferente: Canards
SilentFight Desie (2012)
Canard 2-FL ( 1976)
29 Colibri (1972)

30. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
Qué hacer ? Pensar de forma
radicalmente diferente: Alas no
planares
JS1
Arcus
“Hacia el Box Wing”
30 (Ilan Kroo, Stanford U).
Kroo,

31. Planeo final
Del hoy, al principio…

32. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
32 @Friedrichshafen, 2011

33. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
33 Solar Impulse , 2010

34. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
34 Swift, Ilan Kroo, 1991

35. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
35 Minimoa, 1935

36. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
36 Fafnir 1930

37. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
37 Aisa – Dewoitine IP-2, 1949

38. Cuestiones sobre Diseño Aerodinámico de Planeadores. JC Agui, Nov-2011
38 K.W.7 Kronfeld 1920’s