,

AERODINAMICA y ,

ACTUACIONES DEL A VIO N

Aniballsidoro Carmona

,

AERODINAMICA y ,

ACTUACIONES DEL AVION

10a Edición Actualizada

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Impreso en España Printed in Spain

ISBN: 84-283-2640-1

Depósito Legal: M-38.305-1999

Preimpresión: Artes Gráficas Cuesta, S.A.

Gráficas ROGAR, Polfgono Industrial Alparrache - Navalcarnero (Madrid)

( 103/60/64)

, In dice

Págs. --Prólogo a la cuarta edición 13

Prólogo a la novena edición 15

Alfabeto griego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Capítulo l. Características de la atmósfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1. Fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2. Densidad y compresibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.4. Presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 l. 'i. Ecuación de los gases perfectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.6. Otras formas de la ecuación de los gases perfectos . . . . . . 22 1.7. Transformaciones adiabáticas reversibles . . . . . . . . . . . . . 24 1.8. Leyes de Newton. Unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.9. Ecuación fundamental de la fluidoestática . . . . . . . . . . . . 25 1.10. Velocidad del sonido en el aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.11. Atmósfera tipo (Estándar) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.12. Altitud presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.13. Altitud densidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.14. Errores altimétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.1 'i. Altitud geopotencial y altitud geométrica . . . . . . . . . . . . . 43

Capítulo 2. Conceptos elementales de dinámica de fluidos . . . . . . . . . . 45 2.1. Número de Mach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2. Flujo estacionario y no estacionario. Líneas de corriente y

trayectorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3. Ecuación de la continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.4. Teorema de Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.'5. Ecuación de Bernoulli para fluido incompresible . . . 52 2.6. Ecuación de Bernoulli para fluido compresible. Ecuación

de Saint Venant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.7. Medida de la velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.8. Velocidad verdadera y velocidad equivalente . . . . . . . . . . 57 2.9. Relación entre la velocidad equivalente y el número de

Mach ........................................ 58 2.10. Velocidad calibrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

© ITP-Paraninfo / 5

ÍNDICE

Págs.

2.11. Errores del anemómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.12. Velocidad indicada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.13. Resumen de las velocidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.14. Indicador de Mach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.15. Temperatura total y estática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6~

2.16. Tendencias actuales en la instrumentación de datos ~a~ ...................................... ~

2.17. Viscosidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.18. Coeficiente de viscosidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.19. Capa límite, laminar y turbulenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.20. Número de Reynolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 2.21. Torbellinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Capítulo 3. Origen de las fuerzas aerodínámicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.1. Perfiles. Terminología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.2. Distribución de presiones sobre un cilindro . . . . . . . . . . . 81 3.3. Efecto Magnus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H2 3.4. Fuerza resultante sobre un perfil. Centro de presión . . . . . H5 3.5. Sustentación y resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H9 3.6. Relación velocidad-ángulo de ataque . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.7. Influencia del tipo de perfil sobre el coeficiente de sus-

tentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.8. Influencia de la viscosidad. Desprendimiento de la corriente . 93 3.9. Componentes de la resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.10 Momentos de cabeceo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.11. Coeficiente de momento del ala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.12. Influencia en la estabilidad del movimiento del centro de

presiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 3.13. Nomenclatura NACA de los perfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Capítulo 4. Influencia de la forma en planta del ala . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4. l. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.2. Terminología del ala ............................ 117 4.3. Origen de la sustentación en el ala . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.4. Efectos de la estela turbillonaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.5. Valor del ángulo de ataque inducido . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.6. Resistencia inducida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.7. Medios para disminuir la resistencia inducida . . . . . . . . . . 134 4.8. Curva polar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.9. Velocidad de pérdida ............................ 139 4.10. Efectos de la forma en planta del ala . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.11. Influencia del número de Reynolds en los coeficientes ... 146 4.12. Determinación de la velocidad de pérdida . . . . . . . . . . . . 146 4.13. Reconocimiento de la pérdida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14H 4.14. Recuperación de la pérdida ....................... 149 4.15. Pérdidas sin y con potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 SO 4.16. Pérdidas en subidas y descensos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.17. Indicador de ángulo de ataque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.18. Avisador de pérdida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 4.19. Formación de hielo en las alas ..................... 1'56

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Capítulo 5.

Capítulo 6.

Capítulo 7.

ÍNDICE

Págs.

4.20. Efectos de la lluvia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 4.21. Envejecimiento del avión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

Dispositivos hipersustentadores ..................... 163 5.1. Generalidades ................................. 163 S.2. Dispositivos de control de la capa límite . . . . . . . . . . . . . 163 5.3. Aspiradores de capa límite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 S.4. Sopladores de capa límite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 5.5. Ranuras de borde de ataque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.6. Flaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 S.7. Uso de los flaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 5.8. Otros dispositivos. Spoilers. Winglets . . . . . . . . . . . . . . . . 171 S.9. Efecto del barrido de las hélices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 5.10. Efecto del empuje en los reactores .................. 174 S.11. Otras formas de producir sustentación. LEX ........... 175

Actuaciones de los aviones con motor de émbolo . . . . . . . . 177 6.1. Generalidades ................................. 177 6.2. Ecuaciones generales ........................... 177 6.3. Vuelo horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 6.4. Velocidad de mínima resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 6. S. Las curvas de potencia necesaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 6.6. Máximo alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 6.7. Velocidad de potencia mínima o de máxima autonomía .. 185 6.8. Largo alcance (Long Range) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6.9. Influencia del viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 6.10. Curvas de potencia disponible .................... 189 6.11. Velocidad máxima y mínima en vuelo horizontal . . . . . . . 191 6.12. Efectos de cambios de potencia del motor ........... 191 6.13. Crucero con potencia constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 6.14. Crucero con velocidad constante ................... 192 6.1 S. Actuaciones de subida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 6.16. Actuaciones de descenso ........................ 197 6.17. Viraje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 6.18. Control de la velocidad y de la altitud ............... 204 6.19. Vuelo en el segundo régimen ..................... 205 6.20. Resumen de las actuaciones de los aviones con motor de

émbolo ...................................... 207

Actuaciones de los aviones con motor de reacción . . . . . . . 209 7.1. Ecuaciones generales ........................... 209 7.2. Vuelo horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 7.3. Las curvas del motor de reacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 7.4. Las curvas de crucero. Máximo alcance . . . . . . . . . . . . . . 218 7.5. Máxima autonomía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 7.6. Actuaciones de subida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 7.7. Actuaciones de descenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 7.8. Virajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 7.9. Estabilidad en función de la velocidad . . . . . . . . . . . . . . 241 7.10. Resumen de las actuaciones de los aviones con motor de

reacción 244

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ÍNDICE

Capítulo 8.

Págs.

Aviones de turbohélice

7.11. Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 7.12. Motor turbohélice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 7.13. Máximo alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 7.14. Máxima autonomía ............................. 250 7.15. Velocidad máxima .............................. 250 7.16. Actuaciones de subida ........................... 250

Vuelo a grahdes velocidades. Efectos de la compresibilidad . . 251 8.1. Fenómenos de compresibilidad .................... 251 8.2. Ondas de choque en vuelo subsónico. Mach crítico . . . . . 251 8.3. Efectos de la compresibilidad sobre CL y C[; . . . . . . . . . . . 254 8.4. Alas en flecha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 8.5. Dispositivos para retrasar la pérdida . . . . . . . . . . . . . . . . 259 8.6. Efecto de la flecha sobre la estabilidad . . . . . . . . . . . . . . . 264 8.7. Frontera del bataneo. (Buffet Boundary) . . . . . . . . . . . . . 267 8.8. Techo del avión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 8.9. Regla del área ................................ 273 8.10. Ala supercrítica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

Capítulo 9. Requisitos, velocidades y distancias en despegues, aterriza-jes y en ruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 9.1. 9.2. 9.3. 9.4.

9.5. 9.6.

9.7. 9.8. 9.9. 9.10. 9.11. 9.12. 9.13. 9.14. 9.15.

9.16.

9.17.

9.18. 9.19. 9.20. 9.21.

9.22.

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Introducción ................................. . Velocidad mínima de control en el suelo V111cc; ........ . Velocidad de decisión V

1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Operación con criterio de pista compensada y no com-pensada .................................... . Velocidad de máxima energía de frenado VMBE ........ .

Consecuencias de la introducción del concepto de pérdida a1G ...................................... . Velocidad mínima de control en el aire VMc-t ......... .

Velocidad V:111u (Minimun Unstick) ................. . Velocidad de rotación VR ........................ . V Lcw Velocidad de despegue (lift off speed) ......... . V2 . Velocidad de seguridad al despegue ............. . Velocidad máxima de neumáticos ................. . Resumen de las velocidades en el despegue .......... . Distancia de aceleración-parada. D 5 ................ .

Distancia de despegue con todos los motores operativos. Dn¡(n) ..................................... . Distancia de despegue con un motor inoperativo. D 10

( n-1) ....................................... . Longitud mínima de pista para el despegue operando con criterio de pista compensada ..................... . V1 variable .................................. . Zona de parada (Stop-Way) ...................... . Zona libre de obstáculos (Clearway) ............... . Criterio de pista no compensada. Uso de la zona de parada ..................................... . Carrera de despegue (Take-off run) ................ .

277 27H 2HO

2H1 2H4

2H4 2H5 2H7 2HH 2H9 2H9 290 290 290

293

293

293 296 296 296

297 299

ÍNDICE

Págs.

9.23. Criterio de pista no compensada. Uso de la zona libre de obstáculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

9.24. Criterio de pista no compensada. Uso de la zona libre de obstáculos y de la zona de parada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

9.25. Distancias declaradas. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 9.26. Senda de despegue. Segmentos .................... 306 9.27. Limitaciones impuestas por los requisitos de subida en los

segmentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 9.28. Senda neta de despegue. Despeje de obstáculos ........ 311 9.29. V2 variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 9. 30. Posición de los flaps en el despegue . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5 9.31. Aterrizaje. Longitudes mínimas de pista necesarias ...... 316 9.32. Drift-Down ................................... 317 9.33. Limitaciones en ruta ............................ 318 9.34. Vuelos a grandes distancias con aviones birreactores

(EROPS-ETOPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 9.35. Subida en configuración de aproximación . . . . . . . . . . . . 323 9.36. Subida en configuración de aterrizaje . . . . . . . . . . . . . . . . 323 9.37. Resumen de las limitaciones en el despegue . . . . . . . . . . 325 9.38. Resumen de las limitaciones en el aterrizaje . . . . . . . . . . . 326 9.39. Validez de las definiciones y limitaciones expuestas ..... 326

Capítulo 10. Actuaciones de despegue y aterrizaje .................. 327 10.1. Introducción ................................. 327 10.2. Actuaciones de despegue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 10.3. Distancia de despegue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 10.4. Velocidad en el despegue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 10. 5. Influencia de otros factores en el despegue . . . . . . . . . . 333 10.6. Aterrizaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 10.7. Influencia del frenado y de los flaps en el aterrizaje . . . . 338 10.8. Influencia de la velocidad en el aterrizaje ........... 340 10.9. Influencia de otros factores en el aterrizaje . . . . . . . . . . 340 10.10. Influencia de las condiciones de la pista en los despe-

gues y aterrizajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 10.11. Efecto del suelo .............................. 342 10.12. Hidroplaneo ................................. 347

Capítulo 11. Ilmitaciones estructurales, diagrama de maniobra ....... 351 11.1. Elasticidad. Ley de Hooke ....................... 351 11.2. Elasticidad por tracción ......................... 351 11.3. Elasticidad por torsión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 11.4. Cargas combinadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 11.5. Fatiga ...................................... 355 11.6. Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 11. 7. Factor de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 11.8. Factor de carga en un viraje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 11.9. Factor de carga en la recogida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 11.10. Limitaciones estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 11.11. Diagrama de maniobra ......................... 361 11.12. Velocidades de cálculo .......................... 364

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ÍNDICE

11.13. Velocidad máxima operativa VM0 /MMo ............. . 11.14. Diagrama básico de ráfaga ...................... . 11.15. Diagrama compuesto de maniobra-ráfagas .......... . 11.16. Velocidad de vuelo en turbulencia ................ . 11.17. Cargas en las alas. Influencia de la distribución del com-

bustible .................................... . 11.18. Cargas en tierra .............................. .

Capítulo 12. Estabilidad estática y dinámica, generalidades ......... . 12.1. Introducción ................................ . 12.2. Sistema de ejes .............................. . 12.3. Estabilidad estática ........................... . 12.4. Estabilidad dinámica .......................... . 12.5. Ecuaciones del movimiento ..................... . 12.6. Separación de movimientos ..................... . 12.7. Avión compensado ........................... . 12.8. Estabilidad con mandos fijos, libres y de maniobra .... . 12.9. Mandos de vuelo ............................. . 12.10. Controlabilidad y maniobrabilidad ................ .

Capítulo 13. Estabilidad longitudinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1. Estabilidad estática longitudinal .................. . 13.2. Desarrollo de las ecuaciones del momento de cabeceo .. 13.3. Contribución del ala .......................... . 13.4. Contribución del fuselaje y góndolas .............. . 13.5. Contribución de la cola ........................ . 13.6. Punto neutro con mandos fijos ................... . 13.7. Efectos de la potencia ......................... . 13.8. Control longitudinal ........................... . 13.9. Influencia de los flaps y del tren de aterrizaje ........ . 13.10. Límites de c. de g. del avión .................... . 13.11. Estabilidad estática longitudinal con mandos libres .... . 13.12. Compensación aerodinámica .................... . 13.13. Tabs ...................................... . 13.14. Influencia de la velocidad en la posición del timón/esta-

bilizador ................................... . 13.15. Curva de estabilidad estática longitudinal y punto neutro

con mandos libres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.16. Fuerzas en la palanca ......................... . 13.17. Estabilidad en maniobra ........................ . 13.18. Fuerzas en la palanca por G .................... . 13.19. Valores máximos y mínimos de la fuerza en la palanca

~rG .................................... . 13.20. Dispositivos para variar la fuerza en la palanca por G .. . 13.21. Estabilidad dinámica longitudinal ................. . 13.22. El avión sin cola ............................. . 13.23. El avión tipo Canard .......................... . 13.24. La superpérdida .............................. . 13.25. Cizalladura del viento. Wind shear ................ . 13.26. Tipos de sistemas de mandos de vuelo ............. .

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