Proyecto "Concordia"

El diseño de un planeador de competición
por Dick Butler

Restricciones en el diseño

      El diseño de un planeador de clase "Abierta" desde el punto de vista de un piloto de competición es relativamente simple. Tal planeador debe tener excelente planeo en línea recta y buen rendimiento en térmicas, buena maniobrabilidad, y una cabina cómoda. El piloto puede querer también un motor, una envergadura alar entre 28 a 31 metros, lo que otorgará seguramente buen planeo y no correremos el riesgo de terminar en la competencia haciendo un pozo.

      Desafortunadamente cada uno de estos criterios es normalmente transigido al diseñar un planeador para producirlo en serie, para entenderlo más facilmente, cuando se considera como más importante el interés por el negocio. El mercado para un planeador de clase "Abierta" de alta competencia es relativamente pequeño por varias razones, comenzando por el costo y concluyendo con el esfuerzo asociado con la dificultosa manipulación sobre el terreno.

      Debido al mercado limitado y los altos costos de diseño y certificación, un fabricante debe tomar compromisos que limitan el desarrollo de un planeador de alto rendimiento. Unos de los compromisos más significativos es diseñar un perfil de ala para un planeador monoplaza de competencia, que pueda ser utilizado también en un planeador biplaza.

      Desde el punto de vista comercial esto tiene un gran sentido, pero desde el punto de vista de un piloto de competencia esto es un compromiso significativo.

      Un planeador biplaza de 28 a 31 metros requiere una superficie alar de entre 16 a 18 m2 para lograr una carga alar mínima racional. Tal superficie alar limita el rango de la carga alar con un peso máximo de despegue de 850 kg sancionado por la F.A.I. para las competencias de clase "Abierta". Además, una ala con esta envergadura y superficie tiene un efecto perjudicial en su maniobrabilidad, a menos que tenga el "boom" del fuselaje (longitud del fuselaje desde el borde de fuga alar hacia atrás) muy largo, y/o los planos vertical y horizontal grandes.

      El aumento en el área del "boom" del fuselaje y el aumento de la resistencia parásita a alta velocidad de los estabilizadores disminuyen el rendimiento en línea recta. La verdad es que cambios pequeños en la superficie de las alas pueden tener efectos significativos en el rendimiento en competencia.

      La buena maniobrabilidad y una cabina razonablemente cómoda son criterios extremadamente importantes para aumentar al máximo el rendimiento de un planeador.

      Como todos sabemos, los planeadores más largos de ala son lentos de rolar, y tienen una guiñada más adversa al tratar de virar en una térmica turbulenta. Si sos un piloto "top" de clase "Abierta" aprendés a compensar estas deficiencias para disfrutar de las ventajas de rendimiento que brindan los planeadores de gran envergadura.

      Lo mejor sería tener un planeador de clase "Abierta" con la maniobrabilidad de un planeador de la clase "15 metros". Si esto pudiese ser posible, el piloto tendría una ventaja significativa sobre sus competidores al entrar y centrarse en una térmica, además que reduciría su cansancio en un largo vuelo de competencia.

      Nuevamente, uno de los factores para tener una buena calidad de maniobrabilidad es la envergadura alar como también la superficie de la misma. Cunto más baja sea la superficie alar, más alto debe ser el coeficiente de volumen del estabilizador vertical para una dimensión de ala determinada, y cuanto más alto el volumen del timón, mejor es la calidad de maniobrabilidad.

      Por lo tanto, la superficie alar es un factor determinante no sólo para el rendimiento sino también para la calidad de maniobrabilidad. En términos de comodidad del habitáculo, los planeadores de producción en serie son diseñados para pilotos de pequeña o alta talla.

      Schempp-Hirth ofrece una variante especial de los populares planeadores "Discus" y "Ventus" con rendimientos aumentados (Serie A), pero el mercado es limitado para estos planeadores, al tener una cabina más pequeña sólo es cómodo para los pilotos de menor estatura. En la clase "Abierta", el mercado es tan pequeño que el fabricante debe construir una cabina que se ajuste todos los usuarios.

      La mayoría de los planeadores tienen habitáculos grandes, estos tienen como resultado una mayor superficie de resistencia aerodinámica lo cual reduce el rendimiento a alta velocidad.

      Estos son sólo algunos de los compromisos que afectan el diseño de un planeador de producción en serie; un ala con perfiles alares de mayor espesor para poder incorporar los sistemas de control y el lastre de agua, selección de los materiales, cortes aeroelásticos y altos costos de fabricación se agregan a la lista.

El nacimiento del "Concordia"

      Una vez formado el equipo de diseño y construcción del planeador de la NOC (Nueva Clase Abierta - New Open Class), la pregunta era como denominar el proyecto. Como uno puede imaginar existían muchos nombres a considerar y muchos a desechar.

      El nombre "Concordia" fue sugerido por Waibel y ganó de inmediato el consentimiento de los otros miembros del equipo. "Concordia" es una palabra de origen latino que significa armonía o de común acuerdo. El común acuerdo del equipo formado para diseñar este planeador especial, se traduciría, esperábamos, en la armonía del propio diseño, así nació "Concordia".

Carga alar

      Unos de los criterios más importantes para el diseño de cualquier planeador es el rango de la carga alar. Los planeadores de producción de clase "Abierta" en vigencia tienen una limitación en su rendimiento que deriva de un rango de carga alar limitado. Un clase "Abierta" con la limitación de peso máximo en competencia de 850 kg (MTOW), la carga alar máxima de los planeadores actuales de 25 metros de envergadura, o en ese rango, tienen casi 50 kg/m2, que es demasiado pequeña para la competencia de hoy, aun en condiciones atmosféricas moderadas.

      Los planeadores "ETA" y "EB 28", ambos padecen de este mismo problema de carga alar, cada uno tiene superficies alares cercanas a 17 m2. En la tabla 1 se puede ver, en el "ETA", la carga alar mínima y máxima son iguales, no es lo que un piloto de competencia desea. El "EB 28" y "EB 29" tienen también una carga alar máxima debajo de lo deseado para un planeador de competencia. La carga alar mínima del "ETA Biter" es buena para las condiciones de supervivencia, pero en el "ETA", "EB 28" , y "EB 29", se perjudica el rendimiento a de alta velocidad por la baja carga alar.

Tabla 1. Comparación de longitudes alares en el diseño de planeadores de clase "Abierta"


      La meta de diseño del "Concordia" fue tener un rango de carga alar de 40 a 62 kg/m2 con una envergadura alar de 28 metros. Con estos criterios, la superficie de las alas es establecida por carga alar máxima, que en este caso viene a ser de 13,7 m2 para un MTOW de 850 kg, un simple cálculo muestra que con el peso mínimo corresponde a 40 kg/m2.

      Los diseñadores creyeron que la meta del peso mínimo se podía lograr con un diseño meticuloso y aplicación inteligente de los más avanzados materiales compuestos. Como ya se ha notado, esta pequeña superficie de las alas tiene muchas ventajas en el rendimiento y maniobrabilidad. Con un planeador de 28 metros de envergadura alar, esta superficie alar puede dar por resultado también una proporción dimensional (alargamiento alar) de 57, que es más alto que cualquier planeador hasta la fecha. Con un alargamiento de 57 y un rango de carga alar de 40 a 62 m de kg/m2, ambos rendimientos, tanto en baja, como en alta velocidad debe ser superior a la que provee cualquier planeador de clase "Abierta" actualmente en vuelo: (1) la aerodinámica del planeador es buena; y (2) las propiedades de los materiales permiten una construcción superior para las especiales características estructurales requeridas.

El dibujo inicial asistido por computadora del "Concordia" fue desarrollado por Johannes Dillinger.

Dibujo asistido por computadora del "Concordia"

Aerodinámica

      La aerodinámica del "Concordia" es producto de Loek Boermans y del joven Johannes Dillinger. Los criterios iniciales suministrados fueron: (1) la superficie de sustentación debe ser probada en un túnel aerodinámico o en vuelo (ninguno de los nuevos perfiles fueron testeados!); (2) la unión de alas-fuselaje debe ser diseñado usando un modelo 3D y se incorporan las experiencias obtenidas del exitoso planeador ASW 27; y (3) la unión alas-fuselage se debe perfeccionar para vuelo de alta velocidad (un coeficiente de sustentación de 0,3 ).

      Con estos criterios Dillinger en la Universidad de Delft comenzó el diseño aerodinámico en 2003 con deliberaciones continuas con Waibel en Alemania y Butler en EE.UU.. Para aumentar al máximo el rendimiento en baja y alta velocidad, Dillinger desarrolló una familia de perfiles alares diferentes, variando el espesor de 16% en la raíz a 12% en los bordes marginales.

Identificación de los perfiles aerodinámicos utilizados en las alas y "Winglets"

      Las superficies de sustentación delgadas son óptimas desde el punto de vista aerodinámico, pero presentaron muchos desafíos para Waibel en el diseño completo y para Butler en la construcción. La combinación de un planeador de 28 metros de envergadura, superficies de sustentación delgadas, y una cuerda muy estrecha impuestas por la superficie pequeña de las alas, hicieron del diseño un desafío.

      ¿Por ejemplo, donde se encuentra espacio para el agua del lastre para alcanzar los 850 kg? - Todo el control de mezcla de los sistemas del ala tendría que diseñarse en miniatura para ubicarlos dentro de un espacio limitado y los sistemas de control tendrían que aislarse del lastre de agua.

      Mantener la integridad estructural ampliaría los límites externos con los materiales disponibles, las consecuencias de la torsión de los extremos alares en el rendimiento aerodinámico debe ser entendido, considerado y tratado apropiadamente, y la lista continúa. Cada uno de estos problemas fueron presentados y solucionados con mucho esfuerzo y dedicación por Waibel, Butler y Dillinger.

Intersección ala-fuselaje "Concordia"

      La unión de la raíz de ala del "Concordia" fue diseñado con los mismos códigos de panel en 3D usado para diseñar el exitoso planeador ASW 27. Como se ve en la figura precedente, diferentes perfiles aerodinámicos son usados en el primer metro del ala conjuntamente con los ángulos de incidencia, para perfeccionar el flujo a alta velocidad en la unión ala-fuselage (CL=0,3).

      Perfeccionar el flujo en la raíz de ala a baja velocidad (CL=1,2) y a alta velocidad no es posible para una configuración de ala-fuselaje fija. La resistencia primaria a baja velocidad ocurre desde la resistencia inducida del ala y no por la unión de la raíz alar; por lo tanto, el equipo decidió perfeccionar el flujo a alta velocidad donde la unión ala-fuselaje contribuye en un alto porcentaje de la resistencia total.

Flujo computado de los filetes aerodinámicos a bajo y alto coeficiente de sustentación

Filetes aerodinámicos para un CL = 0.30

Filetes aerodinámicos para un CL = 1.20

Estructura y materiales
      La posibilidad para lastrar el "Concordia a un MTOW de 850 kg con la pequeña superficie alar, requiere que el lastre de agua se ubique atrás del larguero de ala. Ubicar agua detrás del larguero de ala trae su propio conjunto de desafíos, aislar todo los sistemas de control, controlar el CG y considerar el potencial aleteo (flutter), una cosa claramente no deseable desde el punto de vista de producción-costo.

      Estructuralmente hablando, el desafío era el diseño estructural, así como tener el espacio suficiente para los sistemas de control.

      Usando los más avanzados materiales de carbono el aspecto estructural estaba resuelto, pero los sistemas de control exigirían el mayor trabajo. Waibel, diseñó los sistemas de mezcladores para la serie de planeadores ASW que incorporaron cambio de ángulos de los flaps y flaps de aterrizaje, conocía toda la cinemática requerida por el "Concordia". El problema fue diseñar y construir sistemas de control similares para el "Concordia", porque el lugar para alojarlos era muy estrecho. Poco sabemos de todos los problemas de interferencia que se ocasionan en la fase de construcción del proyecto.

Maniobrabilidad

      Todas las decisiones tomadas en el diseño dieron por resultado un aporte positivo desde el punto de vista de su maniobrabilidad, permitiendo aumentar al máximo su rendimiento a baja y alta velocidad. Dos parámetros primarios no dimensionales son usado para diseñar un planeador de clase "Abierta" con buenas condiciones de maniobrabilidad; éstos son los coeficientes de volumen de los estabilizadores horizontal y vertical.

      Estos coeficientes son en su mayor parte las funciones de la superficie alar, envergadura alar, superficie del empenaje, y longitud del "boom" del fuselaje. Sin entrar en una discusión de ingeniería, las pequeñas envergaduras y superficie de las alas, el buen rendimiento, o los "boom" de fuselajes y superficie de estabilizadores más grandes, dan por resultado una buena maniobrabilidad.

      El diseñador debe determinar la mezcla de estos parámetros para lograr la maniobrabilidad deseada. Cuando uno comienza con una superficie alar como la del "Concordia" de 13,7 m2 contra los 16 a 18 m2 típico de los planeadores de clase "Abierta" actuales, tiene una ventaja definida. La superficie de las alas más pequeña también permite que uno pueda tener ahora un fuselaje más corto y estabilizadores vertical y horizontal más pequeños.

      Para el "Concordia", el volumen de los estabilizadores horizontal y vertical fue elegido basándose en un planeador diseñado previamente que era bien conocida su maniobrabilidad y estabilidad. Las superficies de comando y la longitud del "boom" del fuselaje para el "Concordia" fueron elegidos de un tamaño para obtener una maniobrabilidad similar e iguales características de estabilidad.

      Debido a la superficie de las alas reducida, Butler y Waibel fueron capaz de lograr sus metas de maniobrabilidad prefijada con aproximadamente 15% menos de superficies de comandos que los planeadores monoplaza de clase "Abierta" actuales, y 20% menos que un planeador de clase "Abierta" biplaza, permitiendo así mejor rendimiento a alta velocidad.

Torsión alar

      Al diseñar un planeador de clase "Abierta" con 28 metros de envergadura, perfiles alares de poco espesor, y sólo 13,7 m2 de superficie alar, uno puede esperar en vuelo una significativa flexión de sus alas aun con cargas de 1G.

      La N.A.S.A. y las industrias de defensa de los EE.UU. han mostrado con aeronaves experimentales tal como el X-29, que existe allí una relación entre flexión alar y torsión alar que depende de varios parámetros de diseño, orientados al posicionamiento del ala respecto del eje de simetría del larguero, orientación de la laminación y materiales usados en la caja de torsión de ala.

      Dada la torsión alar que se espera en el "Concordia", se volvió imperativo que se considere y se preste mucha atención a la magnitud de torsión de los paneles externos que podría desarrollarse cuando el ala flexione hacia arriba y hacia abajo.

      Dillinger vió este potencial problema estructural de aeroelasticidad como el principal desafío para dirigir y decidir continuar su estudio en la Universidad de Delft por un año más, para enfocarse en este asunto después de completar su investigación en la aerodinámica del "Concordia".

      En este momento, ningún otro planeador ha sido diseñado con cortes aeroelásticos como la principal consideración estructural.

      Dillinger, en coordinación con el experto en estructuras Prof. Z. Gurdal de la Universidad de Delft, desarrollaron un programa de computadora que utilizaron para diseñar un plan de laminación para el ala del "Concordia", que minimizará en vuelo la torsión alar acompañada de la flexión alar.

      Si la laminación convencional es usada para la caja de torsión y el eje de simetría del larguero está situado en una posición conveniente, la punta de ala del "Concordia" experimenta -0,4 grado de torsión en velocidad de térmicas (CL=1,0) y de +1,2 grados de torsión a alta velocidad (CL=0,2). Estos datos están presentes abajo en la figura 1 conjuntamente con la torsión alar a nuestro coeficiente de sustentación de diseño de CL=0,3 y a máximo L/D de CL=0,8.

      La torsión negativa a baja velocidad en vuelo térmico en realidad es bueno desde el punto de vista de la maniobrabilidad, pero la torsión a alta velocidad y a coeficiente de sustentación de diseño es inaceptable. Si utilizamos un corte aeroelástico apropiado, la torsión a la velocidad de diseño (CL=0,3) y en el mejor de los casos L/D (CL=0,8) será eliminada, mientras se mantendrá en -0,45 grados en vuelo entre térmicas (CL=1,0) (ver figura 2).

      Nosotros deseábamos continuar teniendo una torsión positiva pequeña de 0,5 grados a alta velocidad (CL=0,2), pero esto sucederá en vuelo sólo cuando el piloto de competencia ha calculado mal su planeo final y elige quemar la altura en los últimos pocos kilómetros.

      El vuelo a alta velocidad (CL=0,2) para el "Concordia" con lastre, estará en el rango de 255 km/h, las velocidades de crucero entre térmicas también serán considerablemente más altas que las normales.

      Basado en el análisis de Dillinger y la subsiguiente laminación de las cáscaras alares y el diseño de los largueros, esperamos que el rendimiento del "Concordia" a altas velocidades será significativamente mejor que la de los planeadores de clase "Abierta" existentes con largas alas con una inherente flexión alar.

Figura 1. Esquema de torsión alar en un planeador con laminación convencional

Figura 2. Esquema de torsión alar utilizando laminación aeroelástico

Rendimiento
      El rendimiento calculado para el "Concordia" se pude ver en la figura inferior. El cálculo de rendimiento está basado en los resultados obtenidos con el fuselaje del ASW 27 y superficie de empenaje y resistencias tomadas en la escala correspondiente para el "Concordia", una mezcla de datos de computación, datos de túnel aerodinámico, y datos de túnel aerodinámico para las superficies de sustentación usadas en el diseño de ala del "Concordia".

      El rendimiento calculado es muy impresionante con un máximo L/D de +70 y un rango de hasta un L/D de 50 a 210 Km/h con lastre completo.

Predicción del rendimiento del "Concordia"

Revisiones más detalladas sobre el diseño aerodinámico y estructural del "Concordia" ha sido presentado por Boermans, Dillinger y Waibel en diferentes lugares de Europa y EE.UU..

Para más información

1. Artículo en una publicación sobre el Concordia written by Wolf Herold in 2007

2. Aerodynamic Design of the Open Class Sailplane Concordia - J. Dillinger, L.M.M. Boermans
XXVIII Congreso OSTIV, Eskilstuna, Suecia, Junio 2006

3. Concordia, New Open Class Sailplane - J. Dillinger, G. Waibel
Campeonato Mundial de Vuelo a Vela 2006, Eskilstuna, Suecia, Junio 2006


Recorriendo el proyecto:
       Conformación del equipo

Fotografías del proceso constructivo de:
       Fuselaje
       Estabilizador vertical
       Estabilizador horizontal
       Cáscaras alares
       Largueros alares
       Terminación de los extremos de los largueros alares
       Sistemas de comandos de las alas
       Primer ensamble de • Alas-Fuselaje •
       Fabricación de alerones, flaps y "Winglets"

Fotografías y videos del primer vuelo
       Primer vuelo

Debut deportivo
       Campeonato Mundial Uvalde 2012 - Debut deportivo

Fuente de información: Soaring Café - http://soaringcafe.com


                 


Junín - Bs. As. - Argentina