Estudio de las cualidades de vuelo lateral-direccional de aviones de transporte con timón de dirección no convencional

Resumen

La historia de la aviación está vinculada a la investigación y el desarrollo de diferentes ámbitos científicos físicos y matemáticos. En la literatura se pueden encontrar numerosos ejemplos de estudios no sólo de nuevas configuraciones no convencionales de aeronaves, sino también de desarrollos de nuevos materiales y procesos para que las aeronaves sean más ligeras y resistentes. También aparecen publicados desarrollos en la predicción de las cargas aerodinámicas frente a las que el avión se debe comportar de forma segura y los consiguientes análisis mecánicos, de estabilidad y control. Hoy en día existe una creciente demanda social para minimizar el impacto ambiental en todos los sectores industriales. El sector de la aviación no es ajeno a este hecho. Esta es la razón por la cual están apareciendo nuevos requisitos de eco-sostenibilidad, que se suman a los de cumplimiento con los requisitos de certificación y seguridad, y los desafíos de ser competitivo de una forma global en un mundo cada vez más exigente. El consumo de combustible, y en consecuencia las emisiones de anhídrido carbónico, está vinculado, según la ecuación de Breguet, directamente por tres parámetros de avión: peso, resistencia aerodinámica y consumo específico de la planta motriz. Esta Tesis Doctoral se centra en estudiar la influencia de las mejoras aerodinámicas derivadas de la introducción de un timón de dirección no convencional en un avión de transporte con motores en ala, y su influencia en la estabilidad y control del mismo. La oportunidad de considerar un timón de dirección no convencional surge de la observación de la naturaleza: las aves para controlar el vuelo modifican la curva del borde de salida de sus alas. Los aviones comerciales actuales controlan su estabilidad con superficies de mando planas que giran en torno a su línea de charnela con un valor de ángulo de deflexión discreto. Hay una oportunidad para mejorar, imitando la naturaleza, y que estas superficies puedan ser controladas actuando sobre su curva media. Esta opción de superficies de mando y control que se curvan en su despliegue, está habilitada por el desarrollo de nuevos actuadores más capaces, con mayor fuerza y potencia a la vez que un menor peso, junto con la posibilidad de investigar nuevos materiales altamente ortotrópicos, deformables en una dirección y con suficiente rigidez y resistencia en la perpendicular. El tema de esta tesis es novedoso. El estado del arte en estudios de deformaciones controladas para mejoras aerodinámicas y de peso no incluye publicaciones en relación a análisis de superficies de control lateral- direccional no convencionales. No se han encontrado tampoco estudios de mecánica de vuelo lateral- direccional con superficies de control no convencionales. El dimensionado del estabilizador vertical de un avión comercial, como es el caso del avión objetivo con motores en el ala, está actualmente condicionado por dos escenarios extremos de operación. Para las aeronaves civiles, con turborreactores, donde la maniobrabilidad no es una consideración primordial, el tamaño de la cola vertical se basa o bien en el requisito de que la aeronave sea capaz de mantener el vuelo con un motor inoperativo, según requisitos EASA y sus equivalentes FAA, ó para aterrizar de forma controlada con viento cruzado. El piloto tiene que tener suficiente control para maniobrar en ambas situaciones. El caso de motor inoperativo genera un momento de guiñada que debe ser equilibrado con deflexión del timón de dirección principalmente. La magnitud del momento de guiñada depende del empuje de los motores, y su posición en la envergadura del ala. La condición de aterrizaje con viento cruzado requiere el equilibrio de la aeronave en guiñada con un momento causado por un viento cruzado 90º, que puede llegar a ser 46 km/h, según especifica la normativa EASA. En ambos casos, la deflexión del timón de dirección crea el momento de guiñada de equilibrio, pero también causa una fuerza lateral que debe ser contrarrestada. Esto se hace con una combinación de ángulo de resbalamiento y ángulo de balance. Ambos, resbalamiento y balance, pueden hacer difícil mantener la estabilidad y control, incluso imposible sin colisión de las puntas de ala con el suelo, si el ángulo de inclinación es demasiado grande. Si hay un resbalamiento grande, se producen movimientos bruscos, por ejemplo en el caso de aterrizaje con viento cruzado, el avión debe enderezar la dirección al tocar tierra. Si hay un ángulo de balance excesivo, se produce la posibilidad de que la punta del ala, o la parte inferior de la góndola del motor, toque el suelo antes de que el tren de aterrizaje toque tierra. Estas consideraciones obligan a limitar los ángulos de resbalamiento y de balance. La deflexión del timón de dirección también crea un momento de balance que se controla utilizando los alerones principalmente. Los objetivos de la Tesis Doctoral son los siguientes: • Valoración cuantitativa de las mejoras aerodinámicas de un estabilizador vertical con una superficie de control lateral-direccional convencional, de un avión de transporte con motores en ala, cuando se cambia la superficie de control por otra no convencional con una curva predefinida. • Diseño preliminar de un nuevo sistema que genere la curvatura objetivo en la superficie de mando lateral- direccional y verificación de las mejoras aerodinámicas sobre la base de las deformadas calculadas para este dispositivo. • Estudio del efecto de la introducción del timón no convencional en la estabilidad estática y dinámica del avión objetivo y comparación con el caso de referencia y las consecuencias en el control y cualidades de vuelo lateral direccional. Esta tesis incluye, pues, los estudios de nuevos materiales y procesos que habilitan el “morphing” de la zona de borde de salida, incluyendo la superficie de mando curvada. Previamente se ha cuantificado la mejora aerodinámica de dicho curvado, validando de forma cuantitativa la misma frente a un caso de carga real, para un estabilizador vertical y su superficie de control. Se culmina el estudio con los estudios de estabilidad estática, dinámica y de cualidades de vuelo de la configuración resultante frente a la convencional. ABSTRACT The history of aviation is linked to the research and development of different physical and mathematical scientific fields. In the literature many examples can be found of studies of new unconventional aircraft configurations to be lighter and stronger. Also new developments are published in the prediction of the aerodynamic loads that size an airplane to be safe, stable, controllable, and with adequate flying qualities. Today there is a growing social demand to minimize environmental impact in all industrial sectors. Our aviation industry is also under this scrutiny. This is the reason why new requirements are emerging as eco- sustainability, in addition to compliance with the safety and certification requirements together with the challenges of being global competitive in an increasingly demanding world. Fuel consumption, and thus emissions of carbon dioxide, is directly linked by three key aircraft parameters: weight, drag and specific consumption of the power plant. This thesis focuses on studying the influence of aerodynamic improvements resulting from the introduction of a non conventional rudder in a transport aircraft configured with under the wing podded engines, and its influence on the stability and control of the airplane. The opportunity to consider an unconventional rudder arises from the observation of nature: birds catching the flight modify the curve of the trailing edge of the wings. Our commercial aircraft control surfaces are flat and rotate around its hinge line with a deflection angle. There is an opportunity to improve, imitating nature, and make that these control surfaces can be controlled by acting on their mean curve. The research on smart materials and new actuators enable new airfoils controlled deformation. The subject of this thesis is novel. The state of the art in studies of controlled deformations for aerodynamic improvements and weight reduction does not include publications related to lateral directional control surfaces analysis or unconventional directional control. No studies have been found regarding flight mechanics and lateral- directional stability and control associated with unconventional control surfaces. The sizing of the vertical stabilizer of a commercial plane engines wing podded, is currently designed by two extreme scenarios of operation. For civil aircraft with turbojets, where manoeuvrability is a primary consideration, the size of the vertical tail is based either on the requirement that the aircraft is capable of sustained flight with one engine inoperative, EASA/ FAA requirement, or to land controlled in crosswind condition. The pilot has to have enough control to maneuver in these situations. The case of inoperative engine generates a yawing moment to be balanced with the rudder deflection. The magnitude of the yawing moment depends on the engine thrust, and its position in the wingspan. The condition of crosswind landing requires the balance of the aircraft with yaw moment caused by a crosswind 90 °, which can be 46 km / h, as specified by the EASA/ FAA airworthiness normative. In both scenarios, the rudder deflection creates a yaw moment of balance, but also causes a lateral force to be countered. This is done with a combination of slip angle and roll angle. Both slip and balance can make stability and control difficult, even impossible without collision of the wing tips to the ground, if the angle is too large. If there is a large slip, hard landings occur as the plane should straighten the direction at touchdown. If an excessive rolling angle, the possibility is that the tip of the wing, or the bottom of the engine nacelle, touches the ground before the landing gear. These considerations force us to limit the slip and balance angles. The deflection of the rudder also creates an unbalance that is usually controlled using ailerons mainly. The objectives of the doctoral thesis are: • Quantitative assessment of the aerodynamic loads improvements of a vertical stabilizer of a transport aircraft when changing the configuration from a conventional rudder to a non conventional one with curvature with respect to the case of flat surface angularly deflected just around the hinge. • Preliminary design of a new system that generates the target surfaces curvatures in the rudder. This includes the validation of the aerodynamics improvements of the actual device deformations. • Study of the effect of the introduction of non-conventional rudder on the lateral- directional stability of the commercial transport aircraft in comparison with the original ones and the consequences in terms of aircraft control and flying qualities.