Optimización paramétrica de las características aerodinámicas de una aeronave de configuración geométrica no convencional definida con alas convergentes

Resumen

En los últimos 50 años una de las principales áreas de innovación en el campo del diseño aeronáutico es la búsqueda de mejoras que optimicen la eficiencia aerodinámica, la eficiencia estructural y el peso de la aeronave. Hasta la fecha, muchos de los avances destinados a la mejora de estos parámetros, en la aviación comercial, se han realizado conservando la configuración convencional, es decir, aeronaves de fuselaje esbelto, alas en situación media o baja, estabilizadores vertical y horizontal unidos al cono de cola y motores montados bajo ala o unidos en la parte trasera del fuselaje. Por otro lado existe una alternativa que pasa por apostar por el desarrollo de configuraciones geométricas no convencionales, las cuales ya son consideradas como opciones reales por las grandes empresas aeronáuticas. Es este el caso de un modelo de configuración no convencional, denominado avión de alas convergentes, que consiste en un diseño que utiliza dos alas, una delantera y otra trasera ambas unidas en tándem de tal manera que tienen forma de diamante tanto vistas en planta como en alzado. A juicio del autor, es un reto conseguir que las compañías aéreas sean partícipes en favorecer el entorno social para hacer atractivos al pasajero cambios tan significativos en la morfología de las aeronaves. Sin embargo existe una alternativa con mayor predisposición a la implantación de estos cambios como es el caso de los sistemas de aeronaves no tripuladas (UAS). Este sector es uno de los más dinámicos dentro de la industria aeroespacial, y se prevé que el mercado sea el doble en una década, por lo que esta situación hace de estos sistemas un marco excelente para la investigación, desarrollo y ejecución de nuevas configuraciones, no convencionales, más fáciles de implementar que en la aviación comercial. Con esta idea, se ha realizado la optimización aerodinámica de una configuración geométrica no convencional del tipo de alas convergentes, realizada por medio del estudio paramétrico de diferentes configuraciones de modelos físicos de ensayos. Cada modelo de ensayo está caracterizado por parámetros geométricos que definen la posición relativa del ala trasera con respecto a la delantera, estos parametros pueden sustituirse por variación en los valores del ángulo diedro y ángulo de flecha de dicha ala, permitiendo, así, la definición de 25 configuraciones de ensayo diferentes. Para la medida de los coeficientes aerodinámicos del sistema se ha realizado ensayos en túnel aerodinámico, donde los datos presentados corresponden a los coeficientes de sustentación, CL, resistencia, CD, resistencia inducida, CDi, parámetro de potencia mínima requerida, CL^3/2/CD, y la eficiencia aerodinámica, E. Los resultados muestran la influencia sobre los coeficientes aerodinámicos de los parámetros de ángulo de flecha y de ángulo diedro del ala trasera. Además de lo anterior, se ha elaborado un modelo numérico simple basado en aproximar las características aerodinámicas de cada ala por medio de una línea o herradura de torbellinos, con el propósito de obtener resultados rápidos, sea cual sea el valor de las variables de estudio, y que facilite el análisis de sensibilidad de parámetros, propio de fases iniciales de diseño conceptual en un proyecto de aeronave.