• Author / Uploaded
• Daniel Velázquez

Citation preview

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad “Ticomán” Ingeniería en Aeronáutica

Mecánica de vuelo “Tema: Aterrizaje”

Nombre: Velázquez Sánchez Rodolfo Daniel Profesor: Correa Arredondo José Arturo Turno: Vespertino Grupo: 6AV2 Fecha de entrega: 31 Mayo del 2017

Definición El aterrizaje es la fase final de un vuelo, que se define como el proceso que realiza una aeronave que culmina con el contacto del aparato con la tierra.

Introducción Un aterrizaje se logra tras haber efectuado un descenso en la altitud del vuelo, haber reducido la velocidad de éste, tener abajo los trenes de aterrizaje, seguir un patrón de aproximación, de inclinación, de planeo y haber identificado el lugar exacto donde se habrá de ejercer el aterrizaje, ya sea en la pista de aterrizaje/despegue de un aeropuerto, o en una superficie extensa de agua.

Ilustración 1. Secuencia de aterrizaje de una aeronave en el aeropuerto /Obtenida de internet Para efectuar un aterrizaje, existen al igual que un despegue, 3 factores: 1. El factor tierra: Es aquel que consiste en la comunicación con el ATC para reportarse y solicitar autorización de aterrizaje, tener en buen funcionamiento las radioayudas ILS, VOR para apoyar en el aterrizaje, tener también en funcionamiento las luces de la pista y mantener en buen estado la pista y libre de obstáculos que pongan en peligro el aterrizaje. 2. El factor aparato: Consiste en efectuar todo el procedimiento de maniobras necesarias para lograr una reducción en la velocidad bajando la potencia de los motores y accionando las superficies de control de hipersustentación flaps, spoilers, las cuales provocaran que la fuerza de sustentación aumente, y las de

profundidad elevadores o timón de profundidad para mantener un descenso controlado; tener los trenes de aterrizaje listos y seguir la orientación del ATC. 3. El factor aire: Consta de las condiciones en las que el avión habrá de realizar su aproximación y su aterrizaje; influyendo en este si hay viento cruzado, turbulencia, lluvia, nubosidad, visibilidad mínima y que dependiendo de estas condiciones habrá la posibilidad de que el aterrizaje sea seguro y que se cumplan con los procedimientos.

Se pueden distinguir 3 tipos de aterrizajes: 1. Los planeados: Son aquellos que se efectúan con todas las condiciones de seguridad y que se cumplen después de haber alcanzado el destino definido. 2. Los no-planeados: Son aquellos que se efectúan porque se ha detectado una condición atmosférica, mecánica, etc., que hagan peligrar el avión y sus tripulantes, pasajeros, carga y encomienda.

3. Los de emergencia: También llamados aterrizajes forzosos- son aquellos que se efectúan en condiciones críticas de seguridad en una superficie apta o no apta, tras haberse dañado alguna parte importante del avión, perderse el control del mismo, encontrarse algo peligroso a bordo, tener alguna anomalía en cualquiera de los sistemas de control y de vuelo, presentarse un fenómeno inesperado que induzca a juzgar que no es seguro continuar en vuelo.1 La toma de tierra o aterrizaje tiene 3 etapas:

1. Distancia necesaria para pasar: En planeo, por encima de un obstáculo de una altura determinada con una velocidad y ángulo sensiblemente constantes. 2. Planeo o vuelo planeado.- Un aeroplano con el motor parado, o funcionando tan lentamente que no existe una tracción apreciable, para continuar su movimiento relativo a través del medio resistente que constituye el aire, necesita consumir su propia energía cinemática o potencial, por lo que si no pierde velocidad tiene que perder altura, y si tratase de no descender, tendría que ir perdiendo su velocidad. Pero, como esto último tiene un límite para que pueda subsistir la sustentación, se ve que el vuelo de un aeroplano prácticamente sin motor, en aire en calma, o con un viento que sea horizontal, uniforme y homogéneo, acaba por ser descendente.

3. Distancia necesaria para nivelar o enderezar la aeronave: Perdiendo velocidad, para mantenerlo a una altura del suelo sustancialmente constante y relativamente pequeña, hasta que se produce el desplome.

4. Distancia necesaria para la carrera de aterrizaje o rodadura: Esta distancia puede disminuirse por el empleo de frenos, bien sobre las ruedas (más eficiente que el aerodinámico), de tipo aerodinámico o por la inversión del sistema propulsor. También es aconsejable, en alguna ocasión el uso en tierra de una especie de paracaídas para el frenado. Los frenos sobre las ruedas no deben utilizarse hasta que el avión este en contacto con la tierra, a fin de no dañar ni el sistema del tren ni las ruedas y sus neumáticos. Se recomienda esperar 3 segundos después de que toca tierra. Si el avión tiene hélices que puedan invertir su paso, es aconsejable utilizar su empuje en reversa en cuanto se toque el suelo. No debe hacerse antes porque se provocaría un aterrizaje en perdida y hay posibilidades de dañar la estructura, como consecuencia del impacto.2

Glosario, acrónimos, siglas y/o simbología utilizada. Símbolo xa xt xh xr xf θ z Z Xt V Vps G a g ψ ψf Cz Cxt β

Significado Distancia de planeo Distancia de nivelación o enderezamiento del aparato Distancia de la carrera de aterrizaje o rodadura Distancia de Xh en la cual no se aplican los frenos Distancia de Xh en la cual se aplican los frenos Angulo de planeo Altura inicial, necesaria para librar un obstáculo Sustentación Resistencia al avance total Velocidad de avance Velocidad de desplome Peso del avión Aceleración Aceleración de la gravedad Coeficiente de fricción Coeficiente de rozamiento con frenos Coeficiente de sustentación Coeficiente de resistencia total Fineza

Desarrollo físico-matemático del tema hasta la obtención de ecuaciones y formulas requeridas. Como se mencionó anteriormente se cuenta con 3 etapas ejemplificadas en la siguiente ilustración:

Ilustración 2. Trayectoria de aterrizaje. Obtenida del Ordoñez, tomo 4, pág. 345. A continuación se procederá a desarrollar el análisis para obtener las distancias antes mostradas

Como ya vimos, si no existe tracción debido al motor, las fuerzas que actúan sobre el aeroplano en régimen permanente de planeo, es decir, cuando desciende con velocidad uniforme y trayectoria rectilínea, son el peso, la sustentación y la resistencia al avance total, incluyendo la debida al funcionamiento en vacío de la hélice (considerando despreciables las pequeñas fuerzas que existen sobre los planos de cola). Ilustración 3. Distancia de planeo. Obtenida del Ordoñez, tomo 4, pág. 345 Por lo tanto estando equilibradas las fuerzas:  

La sustentación Z será igual y opuesta a la componente del peso G perpendicular a la trayectoria. La resistencia al avece total será igual y opuesta a la componente del peso G en el sentido de la trayectoria. Ilustración 4. Vuelo en planeo. Obtenida del Ordoñez, tomo 4, pág. 334.

Dónde:

El menor ángulo de planeo Ө (con tracción nula) corresponderá, por lo tanto, al máximo valor de rendimiento aerodinámico del avión:

El valor máximo de nos dará el valor máximo de y por lo tanto, el valor mínimo de Ө, y el ángulo de ataque α correspondiente. Cualquier alteración de este ángulo de ataque aumentara el ángulo α de planeo. Volando con el ángulo mínimo de planeo se alcanzara, horizontalmente, la máxima distancia en vuelo planeado. Si “z” es la altitud al iniciarse el planeo, la distancia buscada se calculara por la fórmula:

Donde la altura necesaria “z” para librar un obstáculo debe ser 50 ft según lo afirma Raymer.4 (Equivalente a 15.24 m). Como el ángulo de planeo (Ө) esta únicamente en función de solo depende del perfil y la relación entre las resistencias parasitas y al superficie sustentadora, siendo independiente del peso G del avión. Por lo tanto, el mejor ángulo de planeo será el mismo si el avión está vacío, parcialmente cargado o totalmente cargado. El valor de

es el correspondiente a la velocidad

desarrollada, que normalmente será:

Nota: O bien, el valor de depende bastante del empleo de aletas hipersustentadoras (flaps), si se cuenta con el dato que proporciona la velocidad de pérdida de sustentación con dichas aletas se tiene:

Esta distancia es la correspondiente a la transición entre el vuelo descendente y el vuelo horizontal. Diehl supone que la energía cinética en exceso en el momento de iniciarse la nivelación o enderezamiento es absorbida en una forma determinada. La velocidad durante el planeo y al iniciarse el enderezamiento será:

La energía cinética que deberá ser absorbida es:

La velocidad media deberá ser:

La energía deberá ser absorbida a una proporción media de:

Siendo G = Z

Ilustración 5. Distancia de nivelación o enderezamiento del aparato. Obtenida del Ordoñez, tomo 4, pág. 345. El valor medio durante el período en que el avión está totalmente en el aire debe incluir las correcciones debidas a la influencia del suelo sobre

Ilustración 6. Gráfico para la corrección de

lo que puede hacerse por la siguiente gráfica:

. Obtenida del Ordoñez, tomo 4, pág. 349.

Ilustración 7. Distancia de la carrera de aterrizaje o rodadura. Obtenida del Ordoñez, tomo 4, pág. 345. Se calcula a través de la siguiente formula:

Como para aterrizar, la tracción del motor es prácticamente nula (T=0) y análogamente:

Se admite que

es constante desde el punto de contacto con el suelo, por desplome

hasta que termina la carrera de aterrizaje (V=0). En un punto de la carrera:

Sustituyendo este valor en la ecuación anterior:

Y poniendo este valor en la integral principal:

Teniendo en cuenta que son valores constantes que, para una integral de esa forma se tiene:

La ecuación anterior dará:

y recordando

En este caso, la carrera de aterrizaje estará integrada por dos secciones: la primera sección durante la cual aún no se aplican los frenos, y que será de una duración de alrededor de 3 segundos. Como la velocidad en el momento de tocar tierra, por desplome, es

, tendremos aproximadamente:

Y la segunda sección, durante la cual se aplican los frenos, y para la cual utilizaremos la fórmula antes calculada para el aterrizaje sin frenos, si bien el coeficiente de rozamiento deberá ser cambiado por el coeficiente de rozamiento con frenos

. En consecuencia:

El coeficiente de fricción ψ dependerá de la naturaleza del suelo. Experimentalmente se han determinado para ψ, los siguientes valores:

Ilustración 8. Tabla de coeficientes de fricción correspondientes a la naturaleza del campo o pista de aterrizaje. Obtenida del Ordoñez, tomo 4, pág. 309. Los valores de

si se utilizan los frenos en el rodaje, serán:

Ilustración 9. Tabla de coeficientes de rozamiento al utilizar frenos en el aterrizaje correspondientes a la naturaleza del campo o pista de aterrizaje. Obtenida del Ordoñez, tomo 4, pág. 350.

Bibliografía Electrónicas:    

https://es.wikipedia.org/wiki/Aterrizaje http://aero.us.es/AVE/archivos/Y0910/Tema5_parteI.pdf http://www.aero.us.es/mv/files/MV_Tema6.pdf http://www.manualvuelo.com/TCV2/TCV62.html

Bibliográficas:  Daniel P. Raymer, Aircraft design, A conceptual approach , Sylmar California, Aiaa, 1989  Daniel O. Dommasch, Sydney, S.Sherby,Thomas Fconnolly Airplane aerodynamics  Carlos Ordoñez. Aerodinámica Tomo IV. Hispanoamericana, 1963.  J.D. Anderson. Introduction to flight. McGraw Hill, 2000.  Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, 2007.