Aeroelasticidad

La aeroelasticidad es la rama de la física y la ingeniería que estudia las interacciones entre las fuerzas inerciales , elásticas y aerodinámicas que se producen cuando un cuerpo elástico está expuesto a un flujo de fluido . El estudio de la aeroelasticidad se puede clasificar en dos campos: la aeroelasticidad estática, que se ocupa de la respuesta estática o en estado estable de un cuerpo elástico a un flujo de fluido, y la aeroelasticidad dinámica, que se ocupa de la respuesta dinámica (normalmente vibratoria ) del cuerpo .

Las aeronaves son propensas a sufrir efectos aeroelásticos porque deben ser ligeras y al mismo tiempo soportar grandes cargas aerodinámicas. Las aeronaves están diseñadas para evitar los siguientes problemas aeroelásticos:

1. divergencia donde las fuerzas aerodinámicas aumentan la torsión de un ala, lo que aumenta aún más las fuerzas;
2. inversión de control donde la activación del control produce un momento aerodinámico opuesto que reduce, o en casos extremos invierte, la efectividad del control; y
3. aleteo que es una vibración descontrolada que puede provocar la destrucción de una aeronave.

Los problemas de aeroelasticidad se pueden prevenir ajustando la masa, la rigidez o la aerodinámica de las estructuras, lo que se puede determinar y verificar mediante el uso de cálculos, pruebas de vibración en tierra y ensayos de vibración en vuelo . La vibración de las superficies de control se suele eliminar mediante la colocación cuidadosa de los balances de masa .

La síntesis de la aeroelasticidad con la termodinámica se conoce como aerotermoelasticidad , y su síntesis con la teoría de control se conoce como aeroservoelasticidad .

El segundo fallo del prototipo de avión de Samuel Langley en el Potomac se atribuyó a efectos aeroelásticos (en concreto, divergencia torsional ). ^[1] Uno de los primeros trabajos científicos sobre el tema fue la Teoría de la estabilidad de un aeroplano rígido de George Bryan publicada en 1906. ^[2] Los problemas con la divergencia torsional plagaron a los aviones en la Primera Guerra Mundial y se resolvieron en gran medida mediante ensayo y error y endurecimiento ad hoc del ala. El primer caso registrado y documentado de aleteo en un avión fue el que se produjo en un bombardero Handley Page O/400 durante un vuelo en 1916, cuando sufrió una violenta oscilación de cola, que provocó una distorsión extrema del fuselaje trasero y que los elevadores se movieran asimétricamente. Aunque el avión aterrizó sin problemas, en la investigación posterior se consultó a F. W. Lanchester . Una de sus recomendaciones fue que los elevadores izquierdo y derecho debían estar conectados rígidamente por un eje rígido, lo que posteriormente se convertiría en un requisito de diseño. Además, se solicitó al Laboratorio Nacional de Física (NPL) que investigara el fenómeno teóricamente, lo que posteriormente llevaron a cabo Leonard Bairstow y Arthur Fage. ^[2]

En 1926, Hans Reissner publicó una teoría de la divergencia de las alas, lo que dio lugar a muchas más investigaciones teóricas sobre el tema. ^[1] El término aeroelasticidad fue acuñado por Harold Roxbee Cox y Alfred Pugsley en el Royal Aircraft Establishment (RAE) de Farnborough a principios de los años 1930. ^[2]

En el marco del desarrollo de la ingeniería aeronáutica en Caltech , Theodore von Kármán inició un curso sobre "Elasticidad aplicada a la aeronáutica". ^[3] Después de impartir el curso durante un semestre, Kármán se lo pasó a Ernest Edwin Sechler , quien desarrolló la aeroelasticidad en ese curso y en la publicación de libros de texto sobre el tema. ^{[4] [5]}

En 1947, Arthur Roderick Collar definió la aeroelasticidad como "el estudio de la interacción mutua que tiene lugar dentro del triángulo de las fuerzas inerciales, elásticas y aerodinámicas que actúan sobre los miembros estructurales expuestos a una corriente de aire, y la influencia de este estudio en el diseño". ^[6]

En un avión pueden producirse dos efectos aeroelásticos estáticos importantes. La divergencia es un fenómeno en el que la torsión elástica del ala se vuelve de repente teóricamente infinita, lo que suele provocar que el ala falle. La inversión de control es un fenómeno que se produce únicamente en alas con alerones u otras superficies de control, en las que estas superficies de control invierten su funcionalidad habitual (por ejemplo, se invierte la dirección de alabeo asociada a un momento dado del alerón).

La divergencia se produce cuando una superficie sustentadora se desvía bajo una carga aerodinámica en una dirección que aumenta aún más la sustentación en un bucle de retroalimentación positiva. La mayor sustentación desvía aún más la estructura, lo que finalmente la lleva al punto de divergencia. A diferencia del aleteo, que es otro problema aeroelástico, en lugar de oscilaciones irregulares, la divergencia hace que la superficie sustentadora se mueva en la misma dirección y, cuando llega al punto de divergencia, la estructura se deforma.

La inversión de la superficie de control es la pérdida (o inversión) de la respuesta esperada de una superficie de control, debido a la deformación de la superficie sustentadora principal. Para modelos simples (por ejemplo, un alerón único en una viga de Euler-Bernoulli), las velocidades de inversión de control se pueden derivar analíticamente como para la divergencia torsional. La inversión de control se puede utilizar para obtener ventajas aerodinámicas y forma parte del diseño del rotor de flaps servo Kaman. ^[7]

La aeroelasticidad dinámica estudia las interacciones entre fuerzas aerodinámicas, elásticas e inerciales. Algunos ejemplos de fenómenos aeroelásticos dinámicos son:

El aleteo es una inestabilidad dinámica de una estructura elástica en un flujo de fluido, causada por la retroalimentación positiva entre la deflexión del cuerpo y la fuerza ejercida por el flujo de fluido. En un sistema lineal , el "punto de aleteo" es el punto en el que la estructura está experimentando un movimiento armónico simple ( amortiguación neta cero ) y, por lo tanto, cualquier disminución adicional en la amortiguación neta dará como resultado una autooscilación y una falla eventual. La "amortiguación neta" puede entenderse como la suma de la amortiguación positiva natural de la estructura y la amortiguación negativa de la fuerza aerodinámica. El aleteo se puede clasificar en dos tipos: aleteo duro , en el que la amortiguación neta disminuye muy repentinamente, muy cerca del punto de aleteo; y aleteo suave , en el que la amortiguación neta disminuye gradualmente. ^[8]

En el agua, la relación de masas entre la inercia de cabeceo de la lámina y la del cilindro de fluido que la rodea es generalmente demasiado baja para que se produzca una vibración binaria, como lo demuestra la solución explícita del determinante de estabilidad de vibración de cabeceo y elevación más simple. ^[9]

Las estructuras expuestas a fuerzas aerodinámicas (como alas y perfiles aerodinámicos, pero también chimeneas y puentes) suelen diseñarse cuidadosamente dentro de parámetros conocidos para evitar vibraciones. Las formas romas, como las chimeneas, pueden emitir una corriente continua de vórtices conocida como calle de vórtices de Kármán , que puede inducir oscilaciones estructurales. Por lo general, se envuelven las chimeneas con listones para detener la formación de estos vórtices.

En estructuras complejas en las que no se comprenden completamente tanto la aerodinámica como las propiedades mecánicas de la estructura, el aleteo solo se puede descartar mediante pruebas detalladas. Incluso cambiar la distribución de masa de una aeronave o la rigidez de un componente puede inducir aleteo en un componente aerodinámico aparentemente no relacionado. En su forma más leve, esto puede aparecer como un "zumbido" en la estructura de la aeronave, pero en su forma más violenta, puede desarrollarse sin control a gran velocidad y causar daños graves a la aeronave o conducir a su destrucción, ^[10] como en el vuelo 2 de Northwest Airlines en 1938, el vuelo 542 de Braniff en 1959, o los prototipos del avión de combate VL Myrsky de Finlandia a principios de la década de 1940. Es famoso el caso del puente original de Tacoma Narrows que fue destruido como resultado del aleteo aeroelástico. ^[11]

En algunos casos, se ha demostrado que los sistemas de control automático ayudan a prevenir o limitar la vibración estructural relacionada con la vibración. ^[12]

El aleteo de remolino de la hélice es un caso especial de aleteo que involucra los efectos aerodinámicos e inerciales de una hélice giratoria y la rigidez de la estructura de la góndola de soporte . La inestabilidad dinámica puede ocurrir involucrando los grados de libertad de cabeceo y guiñada de la hélice y los soportes del motor, lo que lleva a una precesión inestable de la hélice. ^[13] La falla de los soportes del motor provocó el aleteo de remolino que se produjo en dos aviones Lockheed L-188 Electra, en 1959 en el vuelo 542 de Braniff y nuevamente en 1960 en el vuelo 710 de Northwest Orient Airlines . ^[14]

El flujo es altamente no lineal en el régimen transónico , dominado por ondas de choque en movimiento. Evitar el aleteo es una misión crítica para las aeronaves que vuelan a través de números de Mach transónicos. El papel de las ondas de choque fue analizado por primera vez por Holt Ashley . ^[15] Un fenómeno que afecta la estabilidad de la aeronave conocido como "inclinación transónica", en el que la velocidad del aleteo puede acercarse a la velocidad de vuelo, fue informado en mayo de 1976 por Farmer y Hanson del Centro de Investigación Langley . ^[16]

El zarandeo es una inestabilidad de alta frecuencia, causada por la separación del flujo de aire o por las oscilaciones de las ondas de choque de un objeto que choca con otro. Es causada por un impulso repentino de aumento de carga. Es una vibración forzada aleatoria. Generalmente afecta la unidad de cola de la estructura de la aeronave debido al flujo de aire que fluye hacia abajo del ala. ^{[ cita requerida ]}

Los métodos para la detección de buffet son:

1. Diagrama de coeficiente de presión ^[17]
2. Divergencia de presión en el borde de salida
3. Cálculo de la separación del borde de salida en función del número de Mach
4. Divergencia fluctuante de fuerza normal

En el período 1950-1970, AGARD desarrolló el Manual sobre Aeroelasticidad que detalla los procesos utilizados para resolver y verificar problemas aeroelásticos junto con ejemplos estándar que pueden usarse para probar soluciones numéricas. ^[18]

La aeroelasticidad no solo tiene en cuenta las cargas aerodinámicas externas y la forma en que cambian, sino también las características estructurales, de amortiguación y de masa de la aeronave. La predicción implica crear un modelo matemático de la aeronave como una serie de masas conectadas por resortes y amortiguadores que están ajustados para representar las características dinámicas de la estructura de la aeronave. El modelo también incluye detalles de las fuerzas aerodinámicas aplicadas y cómo varían.

El modelo se puede utilizar para predecir el margen de vibración y, si es necesario, probar soluciones a problemas potenciales. Pequeños cambios cuidadosamente seleccionados en la distribución de masa y la rigidez estructural local pueden ser muy eficaces para resolver problemas aeroelásticos.

Los métodos para predecir la vibración en estructuras lineales incluyen el método p , el método k y el método pk . ^[7]

En el caso de sistemas no lineales , la vibración suele interpretarse como una oscilación de ciclo límite (LCO), y se pueden utilizar métodos del estudio de sistemas dinámicos para determinar la velocidad a la que se producirá la vibración. ^[19]

Estos videos detallan el programa de investigación de vuelo de dos fases de la NASA y la Fuerza Aérea , Ala Aeroelástica Activa , para investigar el potencial de las alas flexibles con torsión aerodinámica para mejorar la maniobrabilidad de las aeronaves de alto rendimiento a velocidades transónicas y supersónicas , con superficies de control tradicionales como alerones y flaps de borde de ataque utilizados para inducir la torsión.

• Película con lapso de tiempo de la prueba de carga del ala del ala aeroelástica activa (AAW), diciembre de 2002
• Prueba de vuelo del ala aeroelástica activa (AAW) del F/A-18A (ahora X-53), diciembre de 2002

• El puente original de Tacoma Narrows fue destruido como resultado del aleteo aeroelástico. ^[11]
• Aleteo de la hélice del Lockheed L-188 Electra en el vuelo 542 de Braniff .
• Accidente del Fokker F-10 de Transcontinental & Western Air en 1931 .
• Movimiento de libertad corporal del dron GAF Jindivik . ^[20]

• Bisplinghoff, RL, Ashley, H. y Halfman, H., Aeroelasticidad . Dover Science, 1996, ISBN 0-486-69189-6 , 880 p. 
• Dowell, EH, Un curso moderno sobre aeroelasticidad . ISBN 90-286-0057-4 . 
• Fung, YC, Introducción a la teoría de la aeroelasticidad . Dover, 1994, ISBN 978-0-486-67871-9 . 
• Hodges, DH y Pierce, A., Introducción a la dinámica estructural y aeroelasticidad , Cambridge, 2002, ISBN 978-0-521-80698-5 . 
• Wright, JR y Cooper, JE, Introducción a la aeroelasticidad y cargas de las aeronaves , Wiley 2007, ISBN 978-0-470-85840-0 . 
• Hoque, ME, "Control activo del aleteo", LAP Lambert Academic Publishing , Alemania, 2010, ISBN 978-3-8383-6851-1 . 
• Collar, AR, "Los primeros cincuenta años de aeroelasticidad", Aerospace, vol. 5, no. 2, págs. 12–20, 1978.
• Garrick, IE y Reed WH, "Desarrollo histórico del aleteo de las aeronaves", Journal of Aircraft, vol. 18, págs. 897–912, noviembre de 1981.
• Patrick R. Veillette (23 de agosto de 2018). "Buffet de baja velocidad: continúa la debilidad del entrenamiento transónico a gran altitud". Aviación comercial y de negocios . Aviation Week Network.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Aeroelasticidad .

• Rama de Aeroelasticidad – Centro de Investigación Langley de la NASA
• Instituto de Aeroelasticidad del DLR
• Laboratorio Aeroespacial Nacional
• El grupo de aeroelasticidad – Universidad Texas A&M
• Informes técnicos de la NACA – Centro de investigación Langley de la NASA
• Manual de aeroelasticidad de la NASA