propuesta aeronave

INSTITUTOPOLITECNICONACIONAL

ESCUELASUPERIORDEINGENIERAMECNICAYELCTRICA

UNIDADPROFESIONALTICOMANPROPUESTADEIMPLEMENTACINDEAERONAVE

NOTRIPULADATRANSFORMABLE

TESINAPARAOBTENERELTITULODEINGENIEROENAERONUTICA

PRESENTA

ORLANDOENRIQUENAVARROALMAZNASESORDETESINA

M.ENC.JORGESANDOVALLEZAMA

MXICO,D.F. 2013

~ ii ~

AGRADECIMIENTOS

ADiosya laVirgendeGuadalupe,pordarmeestamaravillosaoportunidadparapoderrealizarmeenelproyectodevidaqueheelegidoyquemellenadeorgulloyalegra.

Amimadre y padre; por su cario, apoyo, confianza y arduo esfuerzo sin el que nohubierapodido salirvictoriosoen tantasbatallasquea lo largodemividahe libradoyfinalmente lograr culminar un sendero que aunque difcil siempre me motivaron acontinuar.

Amishermanasyhermanos;mismaestrosdevida,miejemploaseguirymotivacinparasertangrandescomoellos.

Amissobrinasysobrinos;miestimuloparapoderentregarleslomejordemi,conquieneshepasadomomentosrealmenteinolvidables.

Amipareja;mi compaerade vida, conquienhe construidomil aventuras y aunmsalegras,quientieneeldondereraunenlaspruebasmsdifciles.

Amihijo;micampen,elsermsespecialyllenodeluzquehetenidolaoportunidaddeconocer,mimotor de vida y del cual espero que se sienta tan orgulloso como yomesientodel.

Amisamigosyequipo,conquieneshecompartidograndesexperienciasalolargodemivida,ayudndomeadesarrollarmecomopersonaendiversasetapas.

Yatodasaquellaspersonasconquienesalgunavezcoincidieronenmicamino.

Hoyquecierrounaetapademividaparaemprenderunanueva,quieroagradecerlesportodaladichaquemehanbrindado

ATodos,MilGracias

Ing.OrlandoNavarro

~ iii ~

RESUMENCon la realizacindeesta tesina sepretendeelanlisisde la factibilidaddeadaptarelconceptodeaeronavetransformable(MorphingAircraft)enunaaeronavenotripulada.

Semuestra las diversas ventajas y desventajas que puede lograr alcanzarse de poderdesarrollaresteconceptoenestetipodeaeronaves.

Basndose en dicho estudio se pretende proponer una alternativa en el campo de lasaeronavesno tripuladasalofrecer laposibilidaddepoderdesarrollarles la tendenciadeaeronave transformable de acuerdo al diseo estructural, posiblesmateriales para lacubiertadelasuperficieyelsistemadecontroldevuelo

Conello sebuscara sustituir las superficiesde control convencionalesenel controldevuelo para mejorar el rendimiento y alcance, adems de reducir la resistencia paramejorarelrango.

~ iv ~

ABSTRACTWiththecompletionofthisthesis istoanalyzethefeasibilityofadaptingtheconceptofMorphingAircraftonanUnmannedAerialVehicle.

Itshowsthevariousadvantagesanddisadvantagesthatcanachieveachievedtodevelopthisconceptinthistypeofaircraft.

Basisofthisstudyistoproposeanalternativeinthefieldofunmannedaircraftbyofferingthepossibility todevelop them tend tobe transformed according to aircraft structuraldesign,airflow,dynamicstructuresandespeciallytheflightcontrolsystem

This will seek to replace conventional control surfaces in flight control for improvedperformanceandrange,andreducetheresistancetoimproverange.

~ v ~

OBJETIVO

Estatesinasedesarrollateniendocomoprincipalobjetivolaelaboracindeunanlisisenel cual se demuestre la factibilidad y los beneficios que la tendencia de aeronavetransformableparacon las aeronavesno tripuladas representa,asmismo sepretendeproponerunaalternativaenelcambiodeformaenunadelasalasdelaaeronave.

Al realizaresta tesinasepretende tenerunmayorconocimientoenelampliosectordeaeronaves transformables, as como tambin sehagauna invitacin a laposibilidaddepoderaplicaresteconocimientoenunfuturonomuylejano.

~ vi ~

ALCANCESe realizar el estudio, anlisis y propuesta de la factibilidad que existe adaptar elconceptodeaeronavetransformablealasaeronavesnotripuladas.

Noserealizaraningnprototipofsico.

Sepretendequeconlaelaboracindeestatesinasetengaunmayorconocimientoenelamplio sector de aeronaves transformables, as como tambin abra la posibilidad depoderaplicarloenunfuturoprximo.

~ vii ~

NDICEDECONTENIDOHojadeAceptacin iAgradecimientos iiResumen iiiAbstract ivObjetivo vAlcance vindicedeContenido viindicedeFiguras ixndicedeTablas x

Captulo Titulo Pg.1 Introduccin 1.1 2 EstadodelArte 2.1 3 ConceptodeAeronaveTransformable 3.1

3.1 Introduccin 3.23.2 Diseodeentramado 3.73.3 Optimizacindeprocesos 3.113.4 EstimacinAerodinmica 3.123.5 Cubiertadelaaeronavetransformable 3.16

4 TecnologadelosUAVs 4.1

4.1 Aeronavesnotripuladas 4.24.2 Antecedentes 4.34.3 Ventajasydesventajas 4.64.4 Clasificacindelosavionesnotripulados 4.74.5 Aplicaciones 4.7

5 FactibilidaddeAeronaveTransformableenUAVs 5.1

5.1 Introduccin 5.25.2 Beneficiosdelaaeronavetransformable 5.35.3 Pielestransformables 5.85.4 Formadelasuperficiedelalatransformable 5.85.5 Envergaduravariableparaaeronavesdealafija 5.95.6 Cuerdatransformable 5.135.7 Aladebarridovariable 5.13

6 Desarrollodeaeronavenotripuladatransformable 6.1

6.1 Introduccin 6.26.2 Cambiosdeformaenlasuperficie 6.56.3 Modelodetneldevientoparacambiosdesuperficie 6.66.4 Problemasdecontrolenelcambioformadesuperficie 6.8

~ viii ~

6.5 Estructurasflexibles 6.86.6 Estructurascompuestasmltiestables 6.10

Conclusiones 7.1 Bibliografa 8.1 Anexos 9.1 Glosario 9.2

~ ix ~

INDICEDEFIGURASFigura Titulo Pg.

1A Halcnperegrinoconcambiodeconfiguracinenvuelo 1.3

2A MQ5BHunter 2.32B AlaHebillaUAV 2.5

3A Cambioen laconfiguracindelalatransformableenelGrummanF14

3.3

3B Lmitedelalaaerodinmica 3.43C ElevacindelalaaerodinmicacomparacindeCL 3.53D Elementobsicodeentramado 3.93E PosicindelaconfiguracindebasetriangularySMA 3.93F Porcentajedelaunidaddelongitud 3.93G Costillapreliminarmorphingcompuesta 3.113H Geometraaerodinmicadelala 3.133I Distribucin del coeficiente de presin de la geometra de

referenciaaerodinmica3.14

3J Geometradeunaarmaduraptimamorphing 3.153K Ejemplodepieltransformable(MorphingSkin) 3.173L Geometradeunaarmadurasubptimamorphing 3.183M Entramadodecostillapreliminarmorphing 3.19

4A AeronaveDH.82BQueenBee 4.44B AeronaveV1ArmaRevenge 4.44C AeronaveAQM34FirebeeRyan 4.54D AeronaveUAVPioneer 4.54E AeronaveFTALTEA 4.8

5A DiagramaaraaquecomparaelrendimientoprevistodelaFirebeealiniciodelestudio

5.6

5B Configuracin de la aeronaveMAK10 que demuestra el cambiotransformabledesuala.

5.12

5C Configuracin de la aeronave Bell X5 que demuestra el cambiotransformabledesuala

5.14

5D ConfiguracindelaaeronaveGrummanXF10Fquedemuestraelcambiotransformabledesuala.

5.14

5E ConfiguracindelaaeronaveNorthropGrummanF14Tomcatquedemuestraelcambiotransformabledesuala

5.15

6A ElLockheedMartinalaplegableconcepto. 6.56B Avin de radio control modelo de avin a ilustrar los aspectos

prcticosdelaextensindelala6.6

~ x ~

INDICEDEFIGURASFigura Titulo Pg.

6C RCvoladorconextensindealaasimtrica 6.66D Alamorphingdeavinexperimentalenelmododeataqueenel

tneldeviento6.7

6E Configuracindeplaneoeneltneldeviento 6.76F CLcontraCDcomolaformaesmedidaenuntoneldeviento 6.86G Deflexinelsticadelala 6.96H Torsin del ala elstica para diferentes cubiertas de capas de

direcciones6.10

6I Pilasecuenciadelatransversalmenteplacareforzada 6.116J De forma cilndrica estable para el transversalmente reforzado

plato6.11

6K Prediccindeelementosfinitosdelaformaestablecilndrica 6.116L Deformacintpicadelaestructuradearmadura 6.126M Deformacintpicadelaarmaduraestructura 6.13

INDICEDETABLAS

Tabla Titulo Pg.3A TemperaturasrequeridasdeactivacinparaSMA 3.16

4A VentajasydesventajasdelosVehculosAreosNoTripulados 4.64B ClasificacindelosVehculosAreosNoTripulados 4.7

5A FormadelaSuperficie:Envergadura 5.105B FormadelaSuperficie:Cuerda 5.105C FormadelaSuperficie:Barrido 5.11

CAPITULO

I

Introduccin

Quien tiene un porqu para vivir, encontrar casi siempre el cmo

F. Nietzsche

I.INTRODUCCIN

~1. 2 ~

1.1 INTRODUCCIN

Alolargodelosaoslarazahumanahasidocapazderealizargrandesproezas,unadelasms sobresalientes es la de poder viajar a travs de los cielos y con este tipo detransportacin inicia una enorme bsqueda para poder lograr la optimizacin de losrecursos.Desafortunadamente,eldiseodelasaeronavesconvencionalesdealafijaestlimitado por los requerimientos en conflicto demltiples objetivos.Mecanismos talescomoaletasdesplegablesproporcionarelestndaractualdeadaptacindegeometradeperfilaerodinmico,aunqueestasolucin impone limitacionesa lamaniobrabilidady laeficiencia, y produce un diseo que no es ptimo enmuchos regmenes de vuelo. Eldesarrollo de nuevosmateriales inteligentes, junto con la necesidad de obtener comosiempre un mejor rendimiento, esto provoc los diseadores hacia el concepto deMorphingAircraft.

ElMorphingAircraftporsunombreeninglsselehaasignadoalasaeronavesquesoncapacesde cambiar su formaexterna sustancialmentepara adaptarse aunentornodemisinduranteelvuelo.

Estocreacapacidadessuperioresdelsistemaquenosonposiblessincambiosenlaformade lasuperficiedelalatransformable.Elobjetivodeestasactividadeseseldesarrollodeunmorphing aircraft de alto rendimiento con alas diseadas para cambiar de forma yrendimiento sustancialmente durante el vuelo para crear mltiples fases,aerodinmicamenteeficientes.

Estosavionestienenlacapacidaddeadaptarseyoptimizarsuformaparalograrmltiplesobjetivos diferentes.Una de lasmotivaciones para dichas aeronaves son las aves quepuedenvariarsualadecruceroamisionesdeataquealcambiarsuconfiguracinenelalaen consecuencia. Las aves tambin utilizan comba y torsin de control de vuelo. Loshermanos Wright utilizaron la deformacin del ala como un control de vuelo sinproblemasensuprimermquinavoladora.

I.INTRODUCCIN

~1. 3 ~

Algunas aves como los halcones son capaces de descansar cuando estn cazando alpermanecer en vuelo con unas configuraciones de alta relacin, mediante corrientestrmicas, hasta que detectan a sus presas, y se lanzan al ataque transformndolaconfiguracindesusalasenundesplomecontroladoparadirigirsesobreunapresa.(Fig.1A).

a) b)

Fig. 1 A. Halcn peregrino a) En vuelo en configuracin de planeo; b) En configuracin de desplomecontroladoparacazar.

Lasalas transformablesoMorphingWingsparaelcontroldevuelo traenuevos retosparaeldiseode las leyesdecontroldevuelo.Debidoa loscambiosdeconfiguracinalmover el centro aerodinmicode la aeronavedurante el cambiode forma,por loquerequiereunaatencinespecial,porloscambiosqueestoconlleva.

Actualmenteelusodeaeronavesnotripuladasesmuyutilizado,yconformetranscurreeltiempoesmsdemandadoenalgunasactividadestalescomolaexploracin,elrescate,lavigilancia, la toma de videos para diversas actividades, etc. Poco a poco se le han idoadaptandomsrecursoscon locualsebuscaasignarlesmsusosomayoresalcancesensuutilizacin.

Es por eso que a lo largo de este trabajo veremos tanto los beneficios como lasdesventajasquetendramosdepoderconjuntarelfascinantemundodelasaeronavesnotripuladasylatendenciadeMorphingAircraft.

CAPITULO

II

Estado del Arte

"La inteligencia consiste no slo en el conocimiento, sino tambin en la destreza de aplicar los conocimientos en la prctica."

Aristoteles

II.ESTADODELARTE

~2. 2 ~

2.1 ESTADO DEL ARTE

En las ltimas dcadas los fundamentos del diseo de la aeronave han visto pocasmejoras.Lagranmayoradelosavioneshoyendaatribuyenaunconjuntoespecficodepropiedadesaerodinmicaslacapacidadparapodervolarlascualeslespermitensermsadecuados para una variedad limitada demisiones.Queda por resultado un diseo deaeronaves por debajo del ptimo, pudiendo ser clasificados como caza, bombardero,transporte,etc.

Enelmundonatural,sinembargo,dichasdesignacionessondifcilesdeasignar.Lasavesvoladoras son naturalmente capaces demanipular sus alas para llevar a cabo diversastareas.Muchasavessoncapacesdemerodearporelsueloenbuscadepresasconsusalascompletamente extendidas.Al detectar presas, pueden doblar sus alas para hacer unacarrera rpida y luego volver a extender a salir de una inmersin rpida. Tal agilidadcombinadaconlacapacidaddemaniobrabilidadesdifcildeencontraranenlosavionesmsmodernosyavanzados.

Lautilizacindeestainspiracinenunsistemanaturalesocupadaporinvestigadoresquehan tratado de desarrollar alas transformables en los aviones para optimizar surendimientoparamltiplesmisiones.

Enlosaosde1950s,unasalasdebarridovariablefueronprobadasenelBellX5enunintentodeoptimizartantoelrendimientoabajavelocidadcomoeldealtavelocidadquellevanvariosaviones,especialmenteelGrummanF14Tomcat.Conlaconstanteevolucinylosavancesenlatecnologadematerialesinteligentesquepermitenunareduccinenlacomplejidad del sistema, el concepto de ala transformable es actualmente msprometedorquenunca.

La investigacinenvehculosareosno tripulados (UAV)hacrecidoenelltimopardedcadas,estodebidoaqueelintersenlosUAVsescadamayorpuesestasmaravillosasaeronavessoncapacesderealizarmisionespeligrosassinelriesgodeexponeralgunavidahumana.

II.ESTADODELARTE

~2. 3 ~

LosUAVssondegranintersparalaFuerzaAreayparalaindustriamilitar,unejemplodeelloeselMQ5BHunter(Fig.2A),enmuchosdelosejrcitosalrededordelmundosemantiene en investigacin constante a diferentes proyectos relacionados con esteconcepto.

Fig.2AMQ5BHunter.Diseadoen1989comounUAVdecortoalcance.

Entre las misiones que los UAVs realizan estn las de video y vigilancia, medios decomunicacin,deteccindearmasbiolgicas,qumicasonucleares,esdecirmisionestanpeligrosas que no seria recomendable enviar a un ser humano a realizar este tipo detrabajos.Estasmisionespueden sercontroladosdemaneraautnomao siendodirigidaporcontrolremoto.

Histricamente, los UAVs se han diseado para maximizar la resistencia y alcance.Afortunadamente,estosdosfactoresdediseoestndirectamenterelacionadosentrespor loqueelaumentoenunotambinaumentaralotro,yviceversa, loquenosexigeconsiderarlosconjuntamenteenelprocesodediseo.

LosUAVssoncapacesderecorrerlargasdistancias,porloqueestaspequeasaeronavespuedenllegaraunsitiolejanoysercapazdevolverasupuntodepartida.Elpesovariabledelvehculoyelcombustibleque losmotoresutilizarnsonvariablesquedeterminanelrangodeeficienciaensuvuelo,puesenelloestaquelosvehculossevuelvanmsligerosy por lo tanto desarrollen unmayor alcance. El diseo de losUAVs ha sido afectadoprincipalmenteporestosproblemas.

II.ESTADODELARTE

~2. 4 ~

Lademandadevehculosareosnotripuladoshacambiadoenlosltimosaos.Ademsde lasnecesidadesdelclientepara laresistenciaysusespecificaciones;ademssebuscaquetengaunabuenamaniobrabilidad.

Los programas de investigacin de aeronave transformable han ido surgiendo en losltimosaos.DARPAanuncisuprogramaMorphingAircraft(Aeronavetransformable)enlaSemanadelaAviacinyelEspacioTecnologaenabrilde2002.LaNASAtambintieneunprogramadeaeronavestransformables.

Unequipode laUniversidaddePurdue,conelapoyode laNASA,recientementegenerodistintos conceptos de misin para aviones transformables. Adems, este equipo dePurduepresentunconceptoextraordinariorelacionadoconlatendenciadelmorphingcomounavariableindependiente.

Elenfoquedeesteequipofueutilizarlaperformancedelaaeronave,eltamaoyelpesoen funcin a la transformacin y el tamao de la aeronave.Otra rea interesante deinvestigacindeaeronavestransformablesexaminalamecnicadelvuelodelospjarosylosaplicancomoprincipiosdetransformacinenlosvehculosareos.

El conceptodemorphingdelalahebillaUAV (Fig.2B) tiene la capacidaddecambiar suconfiguracinencontra,deunasolaalaendosalasunidasencadaextremo.Elenfoquede la investigacindeesteproyectoconsisteeneldiseode lasseccionestransversalesdelalahebillaensuaerodinmica.Elproblemasehizopasarporunperfilaerodinmiconicoque sedivide endosperfiles cuando se transforma. Laprimera configuracin esllamada fusionada. Se compone de un nico perfil aerodinmico, y su objetivo esoptimizar la resistenciayel rangodeascenso. La segunda configuracines llamadaalahebilla,porque se componede lamisma superficie fusionadade sustentacin sloqueahora se divide en dos perfiles. Esta configuracin est diseada para optimizar lamaniobrabilidadatravsdelascenso.[1]

II.ESTADODELARTE

~2. 5 ~

Figura2B.AlaHebillaUAV

ElalahebillatienemuchasventajassobreundiseoconvencionaldeUAV,porejemplolasmaniobrasylaresistenciasonmejoradas.

LosUAVspuedencontrolarseadistanciaopuedenvolarautnomamentesobrelabasedeplanes de vuelo preprogramados. Dado que los UAV no estn limitados por pilotoshumanos con necesidades fisiolgicas o fatiga,pueden serdiseados paramisiones degrancomplejidad.

Porlotanto,laaltaresistenciadelosUAVsesmuypopular.Estetipodeaeronavessuelendurarmuchotiempoenairerealizandosusobjetivosporloquenecesitatenerexcelentescapacidadesparalograrladuracindevuelodemsde24horas.[2]

Con el fin de mejorar el rendimiento de estas aeronaves es necesario desarrollarestructuras que puede optimizar cada fase de vuelo. Estas estructuras que forman elesqueletodeunalamorphing tienen comoobjetivomejorarelalcance, la resistenciaymaniobrabilidad de la aeronave y por lo tanto reducir sus requisitos de energa y decombustibleconsumo.Todoslosaspectosrelevantesparalapropuestasernabordados.Sin embargo, la elaboracin de una aeronave transformable as como pruebas con unprototipo experimental, se dejar para estudios posteriores en algn otro trabajo quecompruebeloqueenestatesinaseexpone.

CAPITULO

III

Concepto de Aeronave

Transformable

No he perdido ante la dificultad de los retos, sino contra el tiempo

Leonardo Da Vinci

III.CONCEPTODEAERONAVETRANSFORMABLE

~3. 2 ~

3.1 INTRODUCCIN

Con la realizacindeesta tesina sepretendeelanlisisde la factibilidaddeadaptarelconceptodeaeronavetransformable(MorphingAircraft)enunaaeronavenotripulada.

Semuestra las diversas ventajas y desventajas que puede lograr alcanzarse de poderdesarrollaresteconceptoenestetipodeaeronaves.

Basndose en dicho estudio se pretende proponer una alternativa en el campo de lasaeronavesno tripuladasalofrecer laposibilidaddepoderdesarrollarles la tendenciadeaeronave transformable de acuerdo al diseo estructural, posiblesmateriales para lacubiertadelasuperficieyelsistemadecontroldevuelo

Conello sebuscara sustituir las superficiesde control convencionalesenel controldevuelo paramejorar el rendimiento y el alcance, adems de reducir la resistencia paramejorarlosrangosdevuelo.

Lageometradeunalafijaesgeneralmenteelresultadodeundiseodecompromisoydesu rendimientoptimo, teniendoeste rendimiento sloenalgunos regmenesdevuelopara cada perfil en unamisin tpica, por lo general para la condicin de crucero. Laadopcindelcontrolaerodinmicoensuperficies(talescomoslats,flaps,etc.)permitelaexpansindeldominiode losregmenesdevuelopermitidosparaunaaeronave,peroaexpensasdeunbajorendimientoobajaeficienciaaerodinmica.

Heaquelpuntodondesurgelaideadesuperficiesaerodinmicascapacesdeadaptarse,que lograrancambiaralgunascaractersticasparaadaptarsea lamejorformaptimadeunrgimenespecfico,esteaspectoprometeinteresantesnovedades.

Siguiendoestatendencia,muchasinvestigacioneshansidoenfocadasaloscomponentes,comoflapsyslats,sealandolosbeneficioseinconvenientesrelacionados.Lasestrategiasms difciles (por ejemplo, alas de barrido variable) se han tenido en cuenta,permaneciendo,almenosporelmomento,limitadaaaplicacionesmilitares(porejemplo,elGrummanF14mostradoenlaFig.3A).


~3. 3 ~

Fig.3A.CambioenlaconfiguracindelalatransformableenelGrummanF14

La clsica variacin en la geometra de los dispositivos, como aletas, exhiben algunasventajas: son fciles de integrar en la estructura circundante y no comprometen a laintegridadestructuraldelala.Adems,afectanunazonalimitadadelala;estosimplificalaarquitectura del sistema de accionamiento que puede ser prcticamente concentradacercadelazonadelabisagra.Sinembargo,debidoasunaturalezaconcentrada,producendiscontinuidades, geometra ms afilada y al empeoramiento de la eficienciaaerodinmica. Por otra parte, las zonas de conexin tienen que soportar las cargastransmitidasconelinevitableincrementodelpesoestructural.

Paraevitarestosproblemas,sehanempezadoagenerarnuevasestrategias.Porejemplo,la idea de producir variaciones suaves en la geometra (es decirMorphing), incluso enpresencia de grandes desplazamientos distribuidos sobre una porcinms ancha de labanda.Elpresentecaptulosiguelatendenciadeinvestigareldesempeoylosbeneficiosaerodinmicosquesepuede lograrmediante lacomparacindeunadivisintradicionalconunbordeliso,sinarticulacinposterior.

A continuacin se expondr un ejemplo basado en la aerodinmica, y asumiendo unaposicindebisagra, laporcindealaaerodinmicasehagiradoalrededordelpuntodearticulacinconelfindesimular lafraccindelflaphaciaabajode ladeflexin(Fig.3B):suponiendoquetodas lasotrasmagnitudessonconstantes,elngulodedesviacinhasidoconsideradoenelrangode224gradosparaestimarelcoeficientedeascenso.


~3. 4 ~

En laaletade rotacin i,alrededordelpuntodearticulacinA, semueveelbordedefugadesdeelpuntoPalapuntoP'.

Entonces, para cada rotacin articulada del flap i, se puede encontrar una formacorrespondiente de flap transformado. En este caso, elmovimiento de los punto P alpuntoP'seobtienepormorphinglalneadecurvaturadelflapdeacuerdoconunarcoparablico que conecta el punto A al punto P' y la tangente en A a la superficiesustentadorasinflapdelalacombaline(Fig.3B).

En lafig.3C,elCLdelalaaerodinmicaparaunaaletadivididaconvencionalyunflaptransformado son comparadospor cada i.Paraundeterminadobordede salidahaciacadadeflexinhaciaabajo,lasolucindeflaptransformableconduceaunmayorCLenelalaaerodinmicaqueladeunadivisinconvencional.

Figura3B.Lmitedelalaaerodinmica:a)NohayrotacindelFlap,b)DesviacinpartidadelFlappartida;c)MorphingFlap.


~3. 5 ~

Figura3C.ElevacindelalaaerodinmicaencomparacindeCL.

Esteenfoque,sinembargo,dalugaraunaparadojainteresante:lamismaestructuratieneque soportar las cargas aerodinmicas externas sin sufrir deformaciones apreciables, ytienequecambiardrsticamentesuformaparaadaptarsealamejorcondicinactualdevuelo.

Poresta razn, varios investigadores alrededordelmundohan trabajadoeneste temasiguiendodiferentes enfoquesparamodificar estosparmetros especficosdel ala (porejemplo, la combadura local o global, la envergadura, etc.) para lograr un mejorrendimiento aerodinmico. Algunos esfuerzos se han centrado en el desarrollo de lacadenascinemticas,otroseneldesarrollodeestructuras.Entreestos,laadopcindeunaarmadurade geometra variable (VGT) como conceptode cargade estructuraprimariaportadora es bastante generalizada: un VGT es un sistema estructural entramado quetieneunnmerodelongituddemiembrosajustable.

A pesar del gran esfuerzo, pocos prototipos voladores han sido producidos. Hay quemencionarunaexcepcinreferentealtrabajorealizadoenNextGenAeronutics,dondeuna aeronave de pequea escala es capaz de duplicar la envergadura de sus alas y lasuperficie,fuediseadoyprobadoenvuelo:enestecaso, laestructuracambio laformadesusuperficiemediantecadenascinemticas.


~3. 6 ~

Una posibilidad para unamejor adaptacin en elmorphing est representada por laadopcindematerialesinteligentes,quecobrimpulsoentreloscientficosdelasltimasdcadasporsercapazdejugarladoblefuncintantodeelementosestructuralescomodeactuador.

Unejemplodeestosmateriales son las aleaciones conmemoriade forma (SMA), cuyacapacidadderecuperargrandesdeformacionestraslaactivacintrmica(efectomemoriadeforma)mientrasqueproporcionaunaaltatransmisindefuerzas,losconvierteenunaherramientaprometedoraparalasaplicacionesenelmorphing.Muchasaplicacioneshanadoptado a los materiales inteligentes en general, y a los SMAs en particular; sinembargo,granpartedelainvestigacinesttodavaenlaprimeraetapaexperimental.

Podemosobservarcmosecontrola lacurvaturaaerodinmicaenelbordeposteriordelalamediantelaproduccindeunflapsuavetransformable,lasustitucindeunadivisintradicionaldeflapenunalaaescaladeunavindetransportecivil.

Unestudio2Dfuedesarrolladoparadisearunacostillacompatible.Laideafuecombinarlos beneficios de la VGTs con algunas varillas "activas" hechas de SMA, para disearnumricamente una estructura interna, capaz de soportar las cargas aerodinmicasexterioresydecambiarsuforma.Pocasinvestigacionessehanrealizadohastalafechaenarmazones de geometra variable con uno oms elementos hechos de aleaciones conmemoriadeforma,sobretodosiseutilizanoslocomoactuadores,sinotambincomoestructura,esdecir,quepuedasoportarelementos.

El cumplimiento y el cambio en la geometra de la estructura es notoriamenteinfluenciadoporloselementosdelamemoriadeforma:sunmeroyposicindentrodelaestructura, la longitudy latensin.Elcomportamientode lamemoriadeformatermomecnicaha sido estimadopormediodelmodelode Liang&Rogers, siendo capazdeestimar individualmente la activacin de la temperaturamnima necesaria y la tensineficazrecuperableparacadaelementodelamemoriadeformaenlaarmadura.


~3. 7 ~

Sehaadoptadounalgoritmoparaoptimizarestemodelo; su rendimiento seevalaentrminos de coeficiente de elevacin alcanzable (que dependen del desplazamientomximoylaformadelbordemorphingfinal)yrequierentemperaturasdeactuacinparalamemoriadeforma.Algunasrestriccionessehanimpuestoalaoptimizacindeprocesosparaalcanzarestructurasdeentramadorazonables,elobjetivoprincipales laobtencindeunaarmadurasimple,aptaparalafabricacinafuturoyprototiposexperimentales.

Enelalgoritmodeoptimizacin,eldiseoy lasimulacinde laarquitecturadebetomarventajadelacombinacindelenfoqueestructuralaerotrmico:uncdigoexplotadoparapredecirelcomportamientoestructuralbajo laaccinconjuntade lascargasexternasyloselementosdelamemoriadeforma,evaluadaconrutinasespecficasenMatlab.

Unanlisispreliminartambinseocupadealgunasdelassolucionesviablesparaunapielmorphing, capaz de soportar altas deformaciones bajo cargas aerodinmicas con unasuperficielisayparaserutilizadaconestaestructuraentramada.

3.2 DISEO DE ENTRAMADO

Unaestructuraadecuadaparaelpropsitodelaadaptacindelafiguradeberapermitirsuavescambiosdeforma,peroquetienenunaltogradoderigidezenloscomponentesdedeformacin,otrasparapermitirunfuncionamientoprecisoenunsistemadeactivacinmanejable. Con este fin, las armaduras de geometra variable (VGTs) han sidoampliamente investigadas: la VGT es un sistema estructural entramado que tiene unnmero de longitud de miembros accionados ajustable. Aunque la idea de sustituiralgunos de los elementos de barra con varillas "activas" no es nada nuevomuy pocosestudiossehan llevadoacabohasta la fechapara laadopcinde formasdentrode lasvarillasdealeacinconmemoriadeVGTs;tantocomoelementosestructuralescomodeactuacin.Laintroduccindeunnmerodeelementosactivosenlugardeunaarmaduradevarillaspasivapermitequelaestructurasedeformeyporlotantoaumentelaenergaelstica.Laadopcindelasvarillasdememoriadeformacomo"activas"enlosmiembrospuedeayudarapermitiraplicacionesaeronuticasdeVGTs.


~3. 8 ~

Laestructuraessimilaraunmecanismoconvencional,quesecomportacomounsistemadecuerposrgidosinterconectadosporunionesideales:elestudiodeestemecanismosepuede realizarutilizandounenfoque cinemtico.Todas las varillas, tantopasivas comoactivas,deberanposeerbisagrasenambosextremos(porlotanto,hayaccionesdeligeraflexin):estasuposicinesparticularmentebeneficiosoenlaadopcinparaaleacionesdememoria de forma, que slo representa esfuerzos axiales. Adems, en esta etapa dediseo,loselementosmemoriadeformapuedeserconsideradostantocomoalambresovarillas,yaquesiempreestnconsujecinnicamentealasaccionesdetraccin,esdecirdesernecesarioparapermitirlaactuacincclicadeelementosmemoriadeforma.

Elelementobsicodearmaduratomadoenconsideracinesunentramadotriangularenlaqueserealizaenunmiembro"activo" dealeacindememoria(Fig.3D),elelementoelsticoadicional,necesarioparaunaadecuadapretensindelamemoriadeforma.

Suponiendoquelabisagraalaizquierdasevelimitada,lainvestigacinsecentrencmomejorarlavariacindelageometraenestabasetriangular,traslaactivacindelaSMA,cambiandolaaberturaangulardelvrticesuperiorylaposicindelpuntodeconexindela SMAen la varilla rgidade laderecha.El rango superiorde seminguloesde5 85grados,mientrasqueelpuntodeconexinenlaSMApuedemoversedesde0a85%delalongitud de la barra derecha, comenzando desde la parte inferior, suponiendo que lalongitud de las varillas rgidas tienen lasmismas unidades (Fig. 3E). El rendimiento secalculaentrminosdeldesplazamientototaldelabisagraenlavarillargidaderecho(Fig.3F),comounporcentajedelaunidaddelongituddelasvarillas.


~3. 9 ~

Fig.3D.Elementobsicodeentramado.

Fig.3E.Laposicin inicialde laconfiguracindeltringulo inicial(negro)yaccionado(azul):a) lapuntaesde20gradosyPosicinSMA0%,b)elngulo superioresde100gradosy laposicinmediamvilde50%,c)elngulosuperioresde160gradosylaposicindeSMAesdel80%.

Figura3F.Trazadodelcontornodelabarraderechalibredesplazamientototaldebisagracomo un porcentaje de la unidad de longitud de las varillas: azul a verde a rojorepresentanlosresultadosobtenidosenaumento.Algunasconfiguraciones,conpequeosngulossuperioresyconelvrticesuperiorconcierrede laSMA,tuvieronqueserdescartadosdebidoa las inviablesconfiguraciones: laactivacindeSMAenestoscasospuedeconduciraunestadoindeterminado,debidoalasuperposicindeloselementosdelaarmaduraylasfuerzasmuyelevadas.


~3. 10 ~

Consideracionesderivadasdelafig.3Fson:

LalongituddelaSMAdebeaprovecharsealmximoparaaumentarlavariacindelageometra;

Las posiciones del punto de conexin entre la SMA y la barra derecha, que seacercandelaumentovrticesuperiorrendimiento,desechando lasqueconducenaconfiguracionesirrealizables;

Las configuraciones con una abertura grande en el vrtice superior no solo sedesempeanmejor,sinoquetambinconducenalosgrandesentramados.

Enparticular,laltimaconsideracinimplicaquelaconfiguracinptimadefinidadentrode lageometradereferenciaadoptadaesunacompensacinentreelnmerodebarrasquesepueden instalarenelvolumenysurendimiento.Noesevidentequeelaumentodel nmero de entramado contribuya a unamejora en el rendimiento. Por otro lado,tenermenosymsampliosentramadosnoslopuedeaumentar lavariacingeometrageneral,perotambinpuedeconduciraconfiguracionesmsligeras.

Dosprincipales limitacionesqueexistenparaesteentramadodebase triangular sonenprimer lugar, la longitudde la SMAqueafectaal rendimiento,ademsdeque limitaapermanecerdentrodelvolumendeltringulonico.Ensegundolugar,eltringulobaseescapazdecambiarsugeometrasloenunadireccin,porloqueesfuncionalparaunflaptransformableconsubestructura.Aloquepropondralaadopcindedostringulos,unoen lapartesuperiordelotro (amododeespejo),permitiendounaccionamientodedosvas,haciendoaestaestructuramstilparaunagamamsampliadeaplicaciones.Estasolucinsehaconsideradoparaelbordemorphingtrasero:unbosquejodeunacostillapreliminar morphing compuesto de cinco armaduras se muestra en la fig. 3G., quetambincomprendeunasolucindepanelrgidodeslizante.


~3. 11 ~

Fig.3GCostillapreliminarmorphing compuestapor cincoarmadurasyuna solucindepanelrgidodeslizante(laslneasrojasrepresentanvarillasactivasSMA):a)haciaabajoyb)deconfiguracinhaciaarriba.

3.3 OPTIMIZACIN DE PROCESOS

En los enfoques de diseo de losmecanismos compatibles en sumayora implican elmtodo de homogeneizacin, ya sea enfocada a la estructura o a la representacingrfica,adoptando laoptimizacinconvencional.Sobre labasedeestosparmetros, losdiferentes enfoques con diferentes objetivos de funciones y restricciones han sidodesarrolladosenvariasinvestigaciones,ejemplosdeellasson:

Adoptados con formulacionesdemltiples criterios, incrementando supotencialmutuoconenerga(paragarantizarungradoadecuadodeflexibilidad)yreduciralmnimolaenergadedeformacin(afindelograrladeseadarigidezestructural).

Maximizarlaventajamecnica,comounarelacinentrelapotenciaylafuerzadeentrada,medianteelusodeelementosderesorteenelmecanismodesalida(esteenfoquehasidoadoptadoporvariosautores)

La fuerza de un nico actuador se transfiere a un conjunto de llamada puntosactivossobreunasuperficieflexibleatravsdelaarmaduracumpleoptimizado.

Se formul una sntesis general de procedimiento para la adaptacin demecanismoscompatiblesde forma,utilizandoalgoritmosgenticospara resolverelproblemadediseosobrelabasedeunterrenobinarioestructuraenfoque.

Utilizar un grfico basado en optimizacin de los cuales intervenga algoritmosevolutivosparaeldiseodemecanismoscompatibles.


~3. 12 ~

En resumen, se han presentado los enfoques de optimizacin que han demostrado sucapacidadparadisearmecanismoscompatibles.

Un proceso de optimizacin basado en algoritmos ha sido adoptado para encontrar lamejoranalogaVGT,paraeldiseodeunacostillacompatibleparacontrolarelngulodecadaaerodinmicaenelbordedelalaposteriormediante laproduccindeunalisadoflaptransformado,traslaactivacindeloselementosdeSMA.

La optimizacin se centra en el diseo de laVGT interna, y la piel no se ha tenido encuentaenestaetapa:

Por esta razn, las cargas de presin aerodinmica se han concentrado en los nodosexternos ya que son puestos en la parte superior e inferior de las superficies de laestructuradelentramado.

Conelalgoritmodeoptimizacin,eldiseoylasimulacindelasventajasdelmorphingseaprovechandeunamezclaaerotermoestructural.

Ladistribucindelapresinesaerodinmica,apropiadamentemodificadaenlapartedemorphing de acuerdo con la posicin real de los nodos externos para entramados.Entonces, las cargasaerodinmicas sonevaluadas,y se concentraen losmismosnodosexternos de la armadura para la simulacin de elementos finitos, para obtener elcomportamientomecnicoycinemticodelbordemorphingposterior,ydespuspoderleerlosresultadosdeseadosdecadasimulacin.

3.4 ESTIMACIN AERODINMICA

Unatpicaaladeavinsehatomadocomolneabaseparalaaplicacindelmorphingsinarticulaciones(Fig.3H),centradoenlapartedetraseradelasuperficiedesustentacinseextiende entre 0.7C y el borde de salida (el flap transformable tiene una porcin decuerdacf=770mm).


~3. 13 ~

Fig.3H.Geometraaerodinmicadelala.

El clculo de las cargas aerodinmicas asumeun flujo no viscoso. La distribucin de lapresin de la superficie de sustentacin de dos dimensiones que tiene se calculanincluyendolosefectosdelasuperficiedesustentacinespesor,ngulodeataque,ylneade curvaturamedia en el clculo de la distribucin de la presin aerodinmica [3]. Lasfuerzasaerodinmicasactuando sobre lapiel se calculanapartirde los coeficientesdedistribucinde lapresin (Fig.3H).Lapresindimensionalen la isimaelementode lapielsepuedeestimarusando

donde eslapresindinmica,Cp,ieselcoeficientedepresinlocal,Veslavelocidaddecorrientelibre,yesla ladensidaddelaire.

LacargaaerodinmicaFn,iencadaelementolocaldelapielvienedadopor

dondenzeselfactordecargaverticalySieselreadelabandalocal(comoelproductoentre la longitud lidelelementoa lo largode laseccintransversalaerodinmicay lawianchuraa lo largode laduracindel segmento local).Cp,i se suponequees constantedebidoallapsolimitadodelaporcindealetainvestigada(wi=300mm).


~3. 14 ~

Fig.3I.Distribucindelcoeficientedepresindelageometradereferenciaaerodinmica.

Ladistribucinde lacargaaerodinmicaqueacta sobre lapartedel flap seevaladeacuerdoconunfactordecargaunitario,5ngulodeataqueyunapresindinmicaiguala 1500,00 N/mm2. La carga distribuida aerodinmica en cada elemento de piel setransfiereentoncesa lamallaFE,seconcentrcomovariascargasdenodosqueactansobrelaestructura.

Lascargasaerodinmicassonevaluadasvariasvecesenelprocesodeoptimizacin:enlalneadebaseplanoaerodinmico,paradeterminarlacapacidaddetransportedecargadela armadura recin generadopara cada seccin ydesecha las geometras inadecuadas;sobre la armadura transformada, para estimar la actuacin efectiva de la porcinmorphingdentrodelenfoqueFE.

El proceso se repite hasta que el criterio de convergencia se cumple, y al final de losmomentos de convergencia de ascenso y cabeceo para la parte investigada puede serestimada:estosvaloresseconviertenenpartedelaevaluacindelaaptitudfuncin.

Las temperaturas para la activacin delmaterial SMA seleccionado semuestran en laTabla3A.Estaactivacinde temperaturasdependedelnivelde la tensinmximaa la


~3. 15 ~

cual cada elemento activo est sujeto a la activacin en presencia de cargasaerodinmicas.UnavezqueelmaterialSMA y la seccin transversalde loselementosadoptadosactivos se seleccionan, todavaesposible reducir laactivacin requeridaportemperaturaparaalgunosdeloselementosactivosenlavigaconsiderandodoselementosSMAenparaleloenlugardeuno.

Adems,estaestructuratieneunmenornmerodeelementosypor lotantoesmenoscomplejo y ms ligero. La forma global de la transformacin que se puede estimarmediantelaconexindelosnodosexternosqueponenenlasuperficiesuperioreinferior,esbastantesuaveduranteelaccionamientohaciaabajo.

Sin embargo, la capacidad de dos vas de tal solucin es muy limitado, ya que elmovimiento hacia arriba no produce un notable rendimiento ni una forma lisa (lacapacidaddemorphingselimitaalapuntadelasuperficieaerodinmica).

Porejemplo,decontinuarconlabsquedamanualentrelassolucionesgeneradasporelprocesodeoptimizacin,peroconunmejorcomportamientoenelaccionamientodedosvas(vaselafig.3J).

Fig.3J. Geometra de una armadura ptima morphing (rojo lneas de puntos representanelementosSMA):a)haciaarribaaccionada,b)sindeformaryc)haciaabajoaccionado.


~3. 16 ~

Tabla3A.Temperaturasrequeridasdeactivacinparaloselementosdememoriadeforma.

Enestecaso,laconfiguracinaccionadahaciaabajo(comosemuestraenlafig.3Jc)tieneun desplazamiento vertical en el borde de salida del 30,2%), produciendo la elevacinestimadaylanzandocoeficientesdemomentosigualesa3,05y1,23,respectivamente.

Laconfiguracinaccionadahaciaarriba (Fig.3Ja) tieneundesplazamientoverticalenelborde de salida de 11,0%), produciendo la elevacin y el cabeceo coeficientes demomentosigualesa0,37y0,31,respectivamente(mejorquelaptimacaso).LaTabla3Aresumelastemperaturasdeactivacinestimadosparaestasolucin,mientrasqueelpesosehacalculadocomo280g.

3.5 CUBIERTA DE LA AERONAVE TRANSFORMABLE

Aunquemuchosmodelosdeavionesdemorphingsehanelaborado,sloalgunosde losproblemas son relacionados con una piel suave y continua que simultneamente sedeforma y lleva cargas. Una piel morphing puede concebirse como un carenadoaerodinmicoparacubrirunaestructurasubyacentemorphing.Unrequisitoparaelusoenunaaplicacinaeroespacial,esquedebesercapazdecambiardeformaenalmenosunadedosmaneras:obientienequetenercambiosenlasuperficie(porejemplo,flaps,slatsenunaladeavin).Estecambiodeformapuedeserinstigadoyaseapormediodeactuadores externos o integrados que hacen que la piel sea autoaccionable o activa ypotencialmente "Inteligentes".Parahacer frentea los cambiosde forma deseables, su


~3. 17 ~

rigidezpuedeseradaptadaocontroladaactivamenteparagarantizar laflexibilidaden ladireccinde la cuerdadel ala con fuerzasmedidasde accionamiento.Por lo tanto, lasestructuras corrugadas, segmentadas, elastmeros reforzados o tubos flexiblescompuestosdematrizincrustadoenunamembranadebajomdulocomosemuestraenlaFig.3Ksonposiblesestructurasparapielesmorphing.

Fig.3K.Ejemplodepieltransformable(MorphingSkin).

Thilletal.hizounaampliarevisindelestadodelatcnicaparapielesmorphing[4]:segnlosautores la importanciadeunapielmorphingcompatibley rgidaha sido reconocidaperonomuchassolucionessatisfactoriashansidopropuestas.Mientrasquelamayoradelascargasaxialesyde flexinsevencontrarrestadaspor lascostillasy largueros, lapielnecesita soportar una combinacin de fuerzas de traccin, compresin y esfuerzocortante, debe ser capaz de distribuir las cargas aerodinmicas difusas de presin a laestructurasubyacente.

Las cargas aerodinmicas se han concentrado en los nodos externos de la armaduramorphing para comprobar su capacidad de transporte de carga en el proceso deoptimizacin,sinembargo, lasuperficiede lapielesresponsabledetransferir lascargasdepresinalaestructurasubyacente.

Unasolucinpreliminarpropuesta,es laadopcindeunpanelrgido(esdecir,hechadetpicoaluminioaeronutico),queestlimitadoenelbordedesalidaycapazdedeslizarse


~3. 18 ~

enelinteriordelaestructuradelalaenelflapderazenelcambiodesuperficie.Paralaarmaduramorphing subptimamostradaen la fig.3Lque laadopcindeeste tipodedeslizamientodepielproduce losefectosvisiblesen la fig.3M;podemosobservarquemientrasqueladeflexinhaciaabajoesoptimizadoyproducelaesperadaformasuave,laactuacinhaciaarribagenerauna formaaerodinmicaanmala, teniendoqueelaborarmejorasenestaparte.

Figura3L.Geometradeunaarmadurasubptimamorphing(rojo lneasdepuntosrepresentanelementosSMA):a)haciaarribaaccionada,b)sindeformaryc)haciaabajoaccionado.La condicin de frontera de deslizamiento debe estar diseada adecuadamente demaneraqueno interfiera con la forma lisa aerodinmicadeseada,especialmenteen lasuperficie superior. La condicin de deslizamiento en la superficie inferior es menoscrtica.

Estasolucinen lapielpuedesertradicionalmentergidaen ladireccina lo largode laenvergadura con largueros. Otros elementos elsticos pueden ser adecuadamentediseadosycolocadosenelflapderazparaayudaralefectodedeslizamientomientrasse mantiene una forma suave bajo las cargas aerodinmicas (que podran inducirprotuberanciasanormalesenlasuperficie).Adems,estoselementosdanmsrigidezalaestructura(estacontribucinadicionaltambindebetenerseencuentaalestimareltotal


~3. 19 ~

de la energa de accionamiento requerido) y puede ayudar a reducir los fenmenosdinmicosnodeseados(porejemplo,aleteo).

Figura3M.Entramadodecostillapreliminarmorphingconpanelrgidodeslizante:a)haciaabajoyhaciaarribab)configuracin(enazulestnrepresentadosvarillasrgidas,enblancoSMApasivasyactivasenrojoSMA).Laadopcindeunapiel sndwichparaelentramadomorphingesotra solucinviable:debidoa lamayorrigidezde flexindepanelessndwich, laestructuraglobalsepodrasimplificar(esdecir,sinnecesidaddeloselementoselsticosadicionalesenelflapderaiz)sindejardegarantizarunaformalisaexternayrigidezadecuada.

Finalmente, las estructuras "irregulares" morphing, por el sugerido proceso deoptimizacin (Fig. 3J y la Fig.3L), requieren diferentes niveles de tensin local en lasuperficiede lapielentredosnodosexterioressiguientesde laarmadura,enfuncindesudistanciarelativaylacantidaddecambiodelaformarequerida.

Esta observacin conduce a la conclusin de que una solucin de pielmorphing debeadaptarse a la estructura de entramadomorphing. Por lo tanto, junto con las cargasexternas,sedefinelosrequisitosparalasolucinfinalenlapiel,seleccionandoelptimoentrelasdiferentesposibilidades.,estapuedenencontrarseenunacombinacindevariostipos de pieles, tales como paneles tradicionales rgidos acoplados con refuerzo deelastmeros,etc.

Comologramosapreciarestaesunapartedelarduoprocesoqueconllevalainvestigacinpara intentarmejorar laeficienciaende lasaeronavesconunaarquitectura innovadorapara un flap del borde de inclinacin posterior variable, cuya referencia geomtrica sebasaenunalade laescalacompletaparaunavinde transporte,esta sebasaenuna


~3. 20 ~

estructura donde algunas de sus varillas "activas" hechas de SMA, son capaces desoportar lascargasexternaspermitiendoalmismotiempo lamodificacincontroladadelaforma.

Otrosestudiostambinsecentranenlastcnicasparaaumentarelrendimientoglobaldela armaduramorphing, pormedio de unmiembro adicional rgido perpendicular a lapropia varilla. Otra forma de lograr beneficios similares es unir los extremos de cadavarilla a varillas SMAs rgidas de dos armaduras diferentes, incluyendo las noconsecutivas.Ambassolucionesproporcionanvarillasms largasdeSMAy,por lotanto,mayorescapacidadesdeactuacin,sinembargo, requierenunacomprobacinadicionalparaengranadosentreloselementosdecadavarilla.

Como un desarrollo futuro, la solucin de entramado final, resultante del proceso deoptimizacin, puede ser transformado en un mecanismo que cumple mediante lasustitucin de las bisagras internas con bisagras de "estado slido". Tales bisagras deestado slidopueden serelaboradas como regionesde corta longitud conuna seccintransversal reducida y, por lo tanto, baja rigidez de flexin. Esto permite que elmecanismoconvencionalpuedasertransformadofcilmente,nicamenteafectandoalasbisagras tradicionales, con el efecto de poder reducir la capacidad de llevar cargasexternas.

Porotraparte, losmecanismosdecumplimientotpicamentemuestrandiscontinuidadesensupatrndedeformacin,loshaceinadecuadosparaelpropsitodelaadaptacindesuforma,dondeuncampodedeformacincontinuaserequiere.[5]

Un anlisis del comportamiento dinmico de la estructura tambin tiene que serabordado.

CAPITULO

IV

Tecnologa de los UAVs

No hay barrera, cerradura ni cerrojo que puedas imponer a la libertad de mi mente

Virginia Wolfe

IV.TECNOLOGADELOSUAVS

~4. 2 ~

4.1 AERONAVES NO TRIPULADAS

Los aviones no tripulados tambin llamadosUAVs por sus siglas en ingles,UnmannedAerialVehicle,osistemaareonotripulado,UAS(UnmannedAerialSystem),encastellanocomo VANT (Vehculo AreoNo Tripulado), es una aeronave que vuela sin tripulacinhumana abordo. Sonusados en aplicacionesmilitares.Paradistinguir losVANTde losmisiles, un VANT se define como un vehculo sin tripulacin reutilizable, capaz demantener un nivel de vuelo controlado y sostenido, y propulsado por un motor deexplosin o de reaccin. Por tanto, losmisiles de crucero no son considerados VANTporque,como lamayorade losmisiles,elpropiovehculoesunarmaquenosepuedereutilizar, a pesar de que tambin es no tripulado y en algunos casos guiadoremotamente.

Hay una amplia variedad de formas, tamaos, configuraciones y caractersticas en eldiseo de los VANT. Histricamente los VANT eran simplemente aviones pilotadosremotamente (en ingls: drones), pero cada vez ms se est empleando el controlautnomo de los VANT. En este sentido se han creado dos variantes: algunos soncontroladosdesdeunaubicacinremota,yotrosvuelandeformaautnomasobrelabasedeplanesdevuelopreprogramadosusando sistemasmscomplejosdeautomatizacindinmica.

Actualmente, los VANTmilitares realizan tantomisiones de reconocimiento como deataque. Sibien seha informadodemuchos ataquesdedrones conxito, tambin sonsusceptiblesdeprovocardaoscolateralesy/o identificarobjetivoserrneos,comoconotros tipos de arma. Los VANT tambin son utilizados en un pequeo pero crecientenmerodeaplicaciones civiles, comoen laboresde lucha contra incendioso seguridadcivil,como lavigilanciade losoleoductos.Losvehculosareosno tripuladossuelenserpreferidos paramisiones que son demasiado "aburridas, sucias o peligrosas" para losavionestripulados.[6]


~4. 3 ~

4.2 ANTECEDENTES

Lasaeronavesnotripuladashansidoutilizadasdesdeyavariosaosatrsacontinuacinsemencionarnalgunosejemplos.

Durante la Guerra Civil Americana, un inventor patent un globo no tripulado quetransportaba explosivos que podran ser lanzadas despus de que un mecanismotemporizadorprovocaraque lacanastavolcarasucontenido.Lascorrientesdeairey lospatronesclimticoshacedifcilestimarlosvaloresqueseutilizabanparaquelacanastasevolcara,yelglobonuncafuedesplegadoconxito.

En1883, laprimera fotografaarea fuetomadausandounacometa,unacmarayunacadenamuylargaunidaaldisparadordelacmara.

En1898,estatecnologafueutilizadaenlaGuerraEspaolaAmericana,dandolugaralasprimerasfotosdereconocimientoareomilitar.

LaPrimeraGuerraMundial fue testigodeldesarrolloyensayodediferentesavionesnotripuladoscontroladosporradio,peroningunosalide lafasedepruebaatiempoparaserutilizadosantesdelaguerra.

En1930,laBritishRoyalNavydesarrollunprimitivoavinnotripuladoradiocontrolado:la abeja reina. La abeja reina podra ser desembarcados para su reutilizacin futura ypodraalcanzarvelocidadesde100mph(160km/h).Envezdeserusadoparaatacar,sinembargo, la abeja reina sirvi sobre todo como prcticas de tiro areo de los pilotosbritnicos.


~4. 4 ~

Fig.4ADH.82BQueenBee

Durante la SegundaGuerraMundial, los nazis desarrollaron unUAV para ser utilizadocontra objetivos nomilitares. El arma Revenge 1, una bomba voladora tripuladamsconocidocomoelV1,podaalcanzarvelocidadesdecasi500mph(804km/h), llevara2.000 libras (907 kilogramos) de explosivos y podra viajar 150millas (241 kilmetros)antesde la liberacindesuartillera.Suenvergaduraeradeunos20pies(6m),ymedacercade25pies(7,6m)delargo.EnlospueblosyciudadesdetodaGranBretaa,elV1fueresponsabledemsde900civilesmuertosy35.000heridosciviles.

Fig.4B.V1ArmaRevenge

En losaos1960y70, losEstadosUnidosrealizaronmsde34.000vuelosdevigilanciautilizandoelAQM34FirebeeRyan(fig.4C),unUAV lanzadodesdeunavinycontroladopor los operadores dentro de ese aeroplano. Los EE.UU. tambin emplearon UAVsllamados Lightning Bugs en el aire, publicados como C130 paramisiones en China yVietnam.Losingenierosdelfabricanteoperabanlaaeronaveconuncontroldejoystick.


~4. 5 ~

Fig.4CAQM34FirebeeRyan

Afinalesde1970y80,IsraeldesarrollelScoutyelPioneer(Fig.4D),tipomodelodeUAVenusohoyenda.ElScoutsedestacporsucapacidaddetransmitirvideoenvivoconunavistade360gradosdel terreno.Elpequeo tamaodeestosUAVshizoque fueseproducidodemaneraeconmica,ademsdequeerandifcilesdederribar.[7]

Fig.4DUAVPioneer.

LosEE.UU.adquirieron losUAVPioneerde Israely losutilizen laGuerradelGolfo.Almenosenunaocasin, lossoldados iraquestrataronderendirseaunode losvehculosareosnotripuladosquevolaba.

Aunque la tecnologaUAVvioeldesarrolloespordicoduranteelsigloXX,no fuehastaque la aeronave no tripulada conocida como Predator apareciera en escena que losvehculosareosnotripuladosseganaronunlugarpermanenteenelarsenal.

LosVANThandemostradosobradamenteendiferentesescenariosy,especialmenteenlaGuerradelGolfoyen laGuerradeBosnia,elgranpotencialque tienen.Encuantoa la


~4. 6 ~

obtencin,manejo y transmisin de la informacin, gracias a la aplicacin de nuevastcnicas de proteccin de la misma (Guerra electrnica) resulta posible conseguircomunicacionesmsseguras,msdifcilesdedetectareinterferir.

4.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS

En la tabla 4A se mencionan las distintas ventajas y desventajas de los Aviones No

Tripulados.

Tabla4AVentajasydesventajasdelosVehculosAreosNoTripuladosVENTAJAS DESVENTAJAS

Posibilidad de uso enreasdealto riesgoodedifcilacceso.

No requiere la actuacinde pilotos en la zona decombate.

Tcnicas El enlace va satlite puede ser hackeado y de esta forma

romperse el canal de comunicaciones entre el operador entierrayelVANTeinterceptarsusdatos.

Un tiempode retardoentre laemisinde instruccionesy surecepcinparasuprocesoyejecucin; loqueencondicionescrticaspuedeserfatal.

Influencia en su funcionamiento por los fenmenos fsicoscomo la actividad solar la cual produce cambios en laionosfera.

Capacidad de vuelo limitada por el tipo de combustible ofuentedeenergaysusistemadenavegacin

ticas

Laposibilidaddeque la inteligenciaartificialdelUAVpudieradeterminarporsmismalosobjetivosaatacar.

La insensibilidad sobre las consecuencias de la guerra, almantenerseadistanciadelosconflictos.

Su comercializacin no controlada, pudiendo ser adquiridosporpersonasogruposdedudosatica.

Econmicas Elaltocostedesuadquisicinymantenimiento


~4. 7 ~

4.4 CLASIFICACIN DE LOS AVIONES NO TRIPULADOS

En la tabla 4B se clasifican los aviones no tripulados de acuerdo a la misin

principal que realizan.

Tabla4B.ClasificacindelosVehculosAreosNoTripulados

Deblanco: Sirvenpara simular avioneso ataquesenemigosen los sistemasdedefensadetierraoaire

Reconocimiento Enviando informacinmilitar.Entreestosdestacan losMUAV (MicroUnmannedAerialVehicle)

Combate(UCAV) ParacombatiryllevaracabomisionesquesuelensermuypeligrosasLogstica DiseadosparallevarcargaInvestigacinydesarrollo

EnellossepruebaneinvestiganlossistemasendesarrolloComercialesyciviles

Sondiseadosparapropsitosciviles

4.5 APLICACIONES

Sepuedenaplicarenambientesdealta toxicidadqumicay radiolgica,en losque seanecesariotomarmuestrasconaltopeligrodevidashumanasyrealizartareasdecontrolde ambiente. Las aeronaves cumplen con las normas regulatorias establecidas en elTratado de Cielos Abiertos de 1992 que permiten los vuelos de VANT sobre todo elespacioareode sus signatarios.Adems,pueden cooperarenmisionesde controldelnarcotrficoycontraelterrorismo.Tambinpodrangrabarvdeosdealtacalidadparaserempleados comomedios de prueba en un juicio internacional. En Espaa la compaaFlightechSystemshaobtenidoyaelprimercertificadoexperimentaldeEuropaporpartedeAESAparaVANTdeusocivildelavinFTALTEA.(Fig.4E.)


~4. 8 ~

Fig.4E.FTALTEAesundronespecializadoendetectar incendios forestaleselaboradosporlacompaaFlightechSystems.

En el mbito de la observacin de la tierra los UAVs tienenmltiples aplicaciones yposibilidadesenelmercadocivil:

Cartografa:realizacindemapasydemodelosdeelevacionesdelterrenodealtaresolucin.

Agricultura:gestindecultivos. Serviciosforestales:seguimientodelasreasboscosas,controldeincendios. Geologa. Hidrologa. Medioambiente:estadodelaatmsfera. Controldeobrasyevaluacindesuimpacto. Seguimientodelaplanificacinurbanstica. Gestindelpatrimonio.Tambinseaprovechalaventajadequesuduracinmximavolandosoloeslimitadaporsucombustibleypor su sistemadevuelo, sin tener las limitacionescorrespondientesatenertripulacin.[6]

CAPITULO

V

Factibilidad de Aeronave

Transformable en UAVs

La tcnica es el esfuerzo para ahorrar esfuerzo.

Jos Ortega y Gasset

V.FACTIBILIDADDEAERONAVETRANSFORMABLEENUAVS

~5. 2 ~

Factibilidad de Aeronave Transformable en UAVs

En captulos anteriores ya hemosmencionado demanera separa lo que se refiere alconceptodeaeronavetransformable (MorphingAircraft)y latecnologaquesetieneenlos Vehculos Areos No Tripulados. En este capitulo analizaremos lo posibilidades depodercombinarambosconceptos.

5.1 INTRODUCCIN

Yahemosmencionadoquelaobservacindelvueloenlanaturalezasiemprehamotivadoel deseo humano de volar, y a consecuencia al desarrollo demejores aeronaves. Losdiseos de las primerasmquinas voladoras intentaban parecerse a la naturaleza delvuelodelasaves,actualmentenossigueenseandocontinuamenteeinspiraainvestigarcomomejorarlosdiseosdelasaeronaves.

Porladirectacomparacinqueexisteentrelasaeronavesylanaturaleza,losdiseadoresbuscan inspiracinenella, conelobjetivode lograr simplicidad,elegancia, yeficiencia,que caracterizan a las especies animales obtenidos por miles de aos de evolucinbiolgica. En particular, la atraccin para los diseadores es la integracin entre laestructuraylafuncinquecaracterizaalasalasdelasaves.

Inclusoenunambienteurbano,lasavessoncapacesdecambiarrpidayeficientementeentrelaetapadecruceroamaniobrasagresivasyadescensosdeprecisin.Lamorfologade lasaves lespermiteunaampliagamadeconfiguracionesensusalas,cadaunode loscualespuedeserutilizadaparaunatareadevueloenparticular.

La ideadecambiar la formadelalaosugeometranoesunconcepto tannuevocomopareciera. El avin de los hermanosWright, el primer objetoms pesado que el airecontaba con unmotor, control de balanceo activado para cambiar el giro de sus alasaccionadasdirectamenteconunoscablesporelpiloto.Lacrecientedemandademayoresvelocidadesdecruceroy lascargastilesha llevadoa lasestructurasde lasaeronavesasermsrgidas,tantoquenopuedenadaptarseadiferentescondicionesaerodinmicas.


~5. 3 ~

Eldesplieguedelosflapsconvencionalessobreunavincomercialcambialageometradelasalas, lascualesestndiseadasparaquepermitanque laaeronavevueleendistintascondicionesdevuelo,peroelrendimientoencadacondicinamenudonoalcanzaaserelptimo.

Adems, estos ejemplos de cambios en la geometra son limitados, con beneficiosreducidos en comparacin con aquellos que se podran obtener de un ala que esdeformableyadaptable.Lacapacidadde lasuperficiedelalaparacambiarsugeometraduranteelvueloha interesadoa investigadoresydiseadoresatravsde losaos,paraobtenerunaadaptacindelalaquedisminuya lasexigenciasnecesariasparaasegurar laoperacindelaaeronaveencondicionesmltiplesdevuelo.

Apesardelaaparentecomplejidaddegeometravariabledelosaviones,lanaturalezahadesarrollado miles de insectos y aves capaces de volar que habitualmente realizancomplicadasmaniobras.

Algunas aves como halcones son capaces de descansar cuando estn cazando alpermanecer en vuelo con unas configuraciones de alta relacin, mediante corrientestrmicas y de aire hasta que detectan a sus presas. Tras la deteccin, las aves setransformanenunaconfiguracindedesplomecontroladoparadirigirsesobreunapresa.

5.2 BENEFICIOS DE LA AERONAVE TRANSFORMABLE

El uso actual demltiples dispositivos aerodinmicos (por ejemplo, como flaps y slats)representa una simplificacin de la idea general detrs del morphing. Los sistemastradicionalesdecontrolparadarunaltorendimientoaerodinmicoalolargodeunrangofijo y por un limitado conjunto de condiciones de vuelo, fuera de este rango, estossistemas tradicionalespuedenserneutraleso influirnegativamentea laaerodinmicayporlotantoamenudoproducenunamenoreficiencia.

Losmecanismosarticulados convencionales soneficacespara controlarel flujodeaire,pero algunos como las bisagras y otros empalmes no son eficientes, y suelen crear


~5. 4 ~

discontinuidades en la superficie, los cualespuedenprovocar en ladinmicadel fluidofenmenosnodeseados.

Muchosestudios sehandirigido a la variacinde la formadel alapara alcanzar variosobjetivos, como el control de turbulencia, la estela (la separacin de flujo laminar),vrtices,controlactivodealeteo,etc.

Lasaeronavescivilesymilitaresestndiseadasparasobrevolarbajociertacaractersticaaerodinmica ptima. Sin embargo, la carga de combustible y la distribucin cambiancontinuamentedurantetodoelvuelo,ylasaeronavesamenudopuedentenerquevolarencondicionesdevuelonoptimasdebidoalasrestriccionesdecontroldetrnsitoareoy/oporelcontinuomovimientoenlascondicionesatmosfricas.

Laeficienciadelcombustibleescadavezdemayor interspara lasociedad,ycualquierenfoquequepuedapermitirunmejorrendimientoaerodinmicoduranteunvuelohadeserinvestigadoydesarrollado.

Elusodeunalaque sepuedaadaptar;cuyageometravaredeacuerdoa loscambiosexternos,a lascargasaerodinmicasconelflujodelaireencadaseccindelperfilde laaeronave podr ser optimizado, lo que resulta en un aumento de desempeoaerodinmicoduranteelcruceroylasmaniobras.

Enelmedio,elcambioen la formade lasalas tambinseconocecomoalaadaptativa.Econmicamenteconlareduccindel1%enlaresistenciaaerodinmicaobtendraquelaflotadelosavionesdetransportedefuselajeanchoenlosEE.UU.redujerasucostode$140millonesporao,conunpreciode$0.70porgalndecombustible.

Paraunserviciodetransportedemedioalcanceconunaaeronavedealatransformable,laproyeccindeahorroenelusodecombustiblesepuede llegaracalcularentreun3y5%aproximadamente,dependiendodeladistanciaarecorrer.

Cuandoelrendimientogeneraldelsistemay losrequisitosdelobjetivosonevaluados,elcambio de forma puede ser un enfoque viable para algunasmisiones, particularmente


~5. 5 ~

aquellosquecombinanvariosrequisitosentrminosdevelocidad,altitud,oeldespegueyel aterrizaje, ya que permitira a una aeronave determinada realizarmltiples tareas ypoderobtenerdistintas capacidades,principalmente laampliacinde suenvolventedevuelo.

Desdeunpuntodevistamilitar,un soloavinmorphingpodradesempeardiferentesrolesdentrodeunamisin,yaquedeotromodorequerirandiferentesvehculos.Sehanestudiado cmo cambiar los parmetros del ala sin afectar el rendimiento de unaaeronave, y sedemostrqueundiseoptimo requiere grandes cambios geomtricosparasatisfacerunamisinmultifuncin.

En comparacin con los aviones convencionales, los avionesmorphing podran cumplircada vez con ms funciones. Se puede observar el impacto que tiene un ala detransformacinenel funcionamientodeunaaeronavepara lasdistintascondicionesdevueloquesepuedenpresentargrficamenteutilizandoundiagramadearaa.

LaFigura5Amuestraungrficodearaapara11condicionesdevuelo,dondecadaejedela grfica representa el rendimientomtrico asociado con cada condicin de vuelo. Elradioexternodeldiagramaindicaelmejorrendimientoposible.Tomandocomoejemploel caso de prueba basado en un BQM34 Firebee, el rendimiento de la aeronave dereferencia puede ser comparada con las estrategias de ala transformable en diversospuntosdeldiagramaaraa,conellopodemosobservarsiexisteunamejorasignificativaenelrendimientode laaeronave queseaproporcionadonicamentepor lasuperficiemorphingdesustentacinoporlalneabasedelaaeronave.

Muchosinvestigadoressiguenunaoptimizacinmultidisciplinaryunenfoquedesistemaspara soluciones de morphing, centrndose en la integracin de dinmica de fluidoscomputacional (CFD) y modelos computacionales de dinmica estructural para laoptimizacingeomtrica.


~5. 6 ~

Losbeneficiosdelatecnologadelalamorphingenlossistemasdeaeronavesdecombate,demuestranque losdiseosoptimizadosproporcionaunahorrodecombustiblepara losavionesdealafija.

Desde unaperspectivade control de vuelo, elmomento de cabeceo est fuertementeinfluenciadoporelbarridodelala,mientrasqueelgiroycontroldecabeceopuedesereficientementemodificadaporintervalovariable.

Fig.5ALaaraacomparaelrendimientoprevistode laFirebeeal iniciodelestudio,unFirebeemorphingaerodinmicoyunFirebeeconformadesuperficiemorphing[9]Elalatransformablepuedeproporcionarunaumentoenelrendimiento,sinembargo, larealizacindedichaaeronaveplanteanuevosretosdediseo.Enelenfoquetradicionaldediseo,elperfilaerodinmicodelalay la formasondictadaspor laaerodinmicaencondicionesdevuelo fijo, laestructuraes ligerayextremadamentergida.Esteenfoquedebeserabandonado,teniendocomobaselasinnovadoresestructurasdiseadasquesondeformablesdemanerainherenteycontinuamenteadaptables,entiemporealydurante


~5. 7 ~

elvuelo,deacuerdocon lascondicionesyrequisitosoperativos impuestospor latareaadesempear,yaque secuentaconunametodologaparacrearproductos innovadores,quepudiesenclasificarsecomo revolucionarios,conun repertoriomsamplio funcionalquelosquesetienenenlosdiseostradicionales,ycapazdetransformarseendiferentesconfiguraciones.

Enotroestudionumricosedemuestraque losmecanismospuedendarcuentadeunaconsiderable porcin del peso y son una funcin fuerte de la geometra de las alas.Adems, la oportunidad de realizar un ala morphing requiere la disponibilidad dematerialesysolucionesde implementacinquegaranticenentodas lascircunstancias ladeformacinnecesariade laestructuraymantener la integridadestructuralycapacidadde soporte dela carga. Losmateriales inteligentes puede ser la solucin, tomando encuentaalosactuadoresdistribuidosdentrodelaestructuradelalacapazdeproporcionarlasmodificacionespertinentes.

Losdesafosactualesdediseode losvehculosconmorphingsonelpesoadicionaly lacomplejidad, el consumo de energa de los conceptos de accionamiento requeridos,ademsdeldesarrollode conceptosdemecanizacinestructurales cubiertosporpielesflexibles.Adems, hayuna fuerte necesidad de entender la condicin que el conceptomorphing tiene en el ala para lograr suficiente rigidez estructural, robustos diseosaeroelsticos, y una ley de control de vuelo adecuada para manejar el cambio decaractersticasaerodinmicasylainerciaquetendreestosvehculos.

Elcontroldevuelorepresentaotrogranretoparalaaeronavemorphing,pueslaausenciadebordesafiladosysuperficiesdesva laaeronavemorphing,tambintieneelpotencialde reducir la firmade radary lavisibilidaddelvehculo,mejorandoassuspropiedadesfurtivas.Sedestacalaredundanciaquegeneralmenterequiereunflapconvencionalparaser conectado a por lomenos uno o dos actuadores adicionales para proporcionar elcontrol de vuelo suficiente en caso de dao en el fuselaje o fallo del actuador. Encontraste,lasalasmorphingporlogeneralhantenidounagranactuacinquedistribuye


~5. 8 ~

una robustez suficiente y la redundancia a cuenta las fallas del actuador con slo uninsignificanteefectosobreelpeso.

5.3 PIELES TRANSFORMABLES

Lamayoradelastecnologasdemorphingoconceptossuponenlaexistenciadeunapielflexibleadecuada.Eldiseodepielesflexiblesesdesafianteytienemuchosrequisitosenconflicto.Lapieldebesersuficientementesuaveparapermitir loscambiosen la forma,pero al mismo tiempo debe ser lo suficientemente rgida para soportar las cargasaerodinmicas y mantener la forma requerida en el perfil. Esto requiere exhaustivascompensacionesentrelosestudiosdediseoparalograrestosrequisitos.Adems,eltipodepielflexiblequeserequieredependedelescenariodecargadeseadoydelcambiodeforma (unidimensional omultidimensional). Por lo tanto, el diseo de pieles flexiblesdependedelaaplicacinespecficaquesedeseaobtener.

Sehanrealizadoexhaustivaspruebasendiferentespieles flexiblesymaterialesquesonconsiderados para su utilizacin dentro del ala transformable, como el uso de uncompuestodeestructuracorrugadaenpanelesderevestimientoparavariarelngulodecadaylacuerdadeunperfilaerodinmico.

Losconceptosen lasuperficie, incluyendocompuestoselastomricossehan investigadoparacambiosdegransuperficie.Adems,elusodeestructurastransformablesdencleodesndwichcubiertosporcarasdehojasconformeseha investigado tantopara losdebajayaltatensinenaplicacionesdependiendodeladisposicincelularyelmaterialdelncleo;o elusode segmentos reforzados (discreto)para crearunmaterialde rigidezvariablequepuedeseradoptadocomounapielflexible.

5.4 FORMA DE LA SUPERFICIE DEL ALA TRANSFORMABLE

La forma en la superficie del ala est afectada principalmente por tres parmetros(Individualoencombinacin):envergadura,cuerdaybarrido.


~5. 9 ~

Laenvergadurayelbarridodelmorphingsehan investigadoparaaplicacionesmilitares,enparticularparavehculosareosnotripulados,quedebenvagardurantelavigilanciaycambiar rpidamente en elmodo de tablero de alta velocidad paramover el rea dereconocimiento o para atacar a un objetivo. La cuerda transformable ha sidoprincipalmenteaplicadaalasaspasdehelicpteroderotorhastaelmomento.Elobjetivodel programa DARPA MAS fue disear y construir activos, de geometra variable,estructuras de las alas con la capacidad para cambiar la forma del ala y a la zonasustancialmente.

Empresas como Lockheed Martin, Hypercomp / NextGen, y los sistemas de misilesRaytheonrealizaronunanlisisfuncional,quellegalaconclusindequelaformadelacubiertade lasuperficiedelalayenvergadurafueron losprincipalesfacilitadoresdeunanuevaclasedetransformablevehculosareos.

Lastablas5A5Cresumenlaliteraturaparacadaparmetrodegeomtrica.Sinembargo,debido a la intrnseca naturaleza demuchas aplicaciones del cambio de forma en lasuperficie,algunosdocumentosaparecenenmsdeunatabla.

5.5 ENVERGADURA VARIABLE PARA AERONAVES DE ALA FIJA

Lasalasdegranenvergaduratienenbuenalcanceybuenaeficienciadecombustible,perobajamaniobrabilidadytienenrelativamentebajasvelocidadesdecrucero.Encambio,losavionesquetienenalasconpequeaenvergadurasonmsrpidosymsmaniobrables,peromuestranunaeficaciaaerodinmica.

Unaladeenvergaduravariablepotencialmentepuede integrarenun solaaeronave lasventajas de ambos diseos, haciendo de esta tecnologa emergente especialmenteatractiva para los UAVsmilitares. El aumento de la envergadura del ala aumenta laproporcin y la superficie alar. Por lo tanto, el arrastre del ala disminuye y, enconsecuencia,laautonomadelvehculoaumenta.


~5. 10 ~

Tabla5A.FormadelaSuperficie:Envergadura

Tabla5B.FormadelaSuperficie:Cuerda


~5. 11 ~

Tabla5C.FormadelaSuperficie:Barrido

Por desgracia, elmomento de flexin del alaraz puede aumentar considerablementedebidoalagranenvergadura.As,tantolascaractersticasdeaerodinmicayaeroelsticadebenserinvestigadoseneldiseodelasalasdeenvergaduravariabletransformable.

Lamayoradelosconceptospalmotransformablesebasanenunmecanismotelescpico,siguiendo las ideasde laFederacindeRusiadeMakhonine Ivan,dondeelpaneldelalaexteriorestadentrodelpanelinteriorparapermitirtelescpicamentelaenvergadurayloscambios en la superficie del ala. ElMAK10 (Fig. 5B) fue el primer diseo con un alatelescpicayvolporprimeravezen1931.


~5. 12 ~

Fig.5B.ConfiguracindelaaeronaveMAK10quedemuestraelcambiotransformabledesuala.

Elmecanismofueaccionadoneumticamenteyhabilitoelaumentdeenvergadurahastaun62%(de13a21m)yelreaaumentadohastaenun57%(de21a33m2).

El Departamento de Defensa de EE.UU. ha diseado numerosos configuraciones devehculos en los ltimos 20 aos para cumplir diversos objetivos de lamisin. En loslaboratoriosde InvestigacinNaval seconstruyunanaveexperimentalno recuperablellamada FLYRT (Target FlyingRadar) que vol por primera vez en septiembre de 1993.FLYRTeralanzadoconrgidosalasplegadasysuperficiesdecoladeunlanzadorMK36conunmotorcohetedecombustibleslidoquesequemduranteaproximadamente1,6s.

Elalargidaampliadacompletamenteera2,4mypesaba60kg.Inmediatamentedespusdel lanzamiento, la aleta de la cola desplegada controlo mecnicamente el vehculoduranteelascenso.Untotalde13drones fueronconstruidosantesdequeelprogramaterminara,yelseuelodemostrconxitoladefensadeunavariedaddebuquesfrentealasamenazasderadarsimulados.

Elvehculodeataqueareotransformablenotripulado,desarrolladoporAeroVisionsInc.(2011, pgina web) dentro del programa de Estructuras de Aeronave Transformable(Morphing Aircraft Structures) financiado por DARPA, consista en varios segmentosdeslizantes.Laenvergadurafueinversamenteproporcionalalavelocidaddecrucero,ysedejparavariascondicionesdeoperacindelplaneodecrucerorpidoalaaltavelocidaddeataque.


~5. 13 ~

El Air Force Research Laboratory (2011; AFRL) Seccin de Investigacin de Vehculosdesarroll una superficie de forma no tripulada llamada ALICE que puede ser lanzadodesdeunavintcticoavelocidadesdehastaMach0,8yaaltitudesdehasta45.000piesdespusdel lanzamiento,ALICE sedesliza con superficiesde controlde colahastaquealcance una velocidad de 250 nudos. Los paneles exteriores rgidos de Aliceaproximadamentea las200millasnuticasdecrucerodespliegan lasalas incrementadasparapoderplanear.

5.6 CUERDA TRANSFORMABLE

La longitud de la cuerda del ala de una aeronave convencional se puede modificargeneralmentepor laaccinde lossistemasde lahliceenelbordede laspalas.Muchosde estos dispositivos estn patentados y operativos, y pocas alternativas se hanconsiderado.

Sin embargo este tipo de condicin esmas aplicable a helicpteros Esto debido a losdesplazamientos ms grandes necesario para morphing y cargas aerodinmicas, conaplicacionesmsacordesaloshelicpteros.

5.7 ALA DE BARRIDO VARIABLE

Lanocindeunalaen flechanoesuna ideanovedosa.Despusde laSegundaGuerraMundial, la aviacin entr en la era del jet, y los aumentos en la velocidad de vuelorepresentounanuevaventajatctica.Lanicaformadereducirlaresistenciasignificativaaaltasvelocidadessubsnicasfueusarunabajaproporcindel espesorde lacuerdadelasalas,hastaquelosaliadosencontraronalgunaspruebasdelaactividaddelalaalemanaenflecha.Losnuevosdiseosdeaeronavescomenzarona incorporarelbarrido,apesarde que sufra en un momento de cabeceo de altos ngulos de ataque y mediocrescualidadesdemanejoabajasvelocidades.La ideadeunaaladebarridovariablenaciycomenzaronlosesfuerzosparacombinarlaeficienciadebajavelocidad(paraeldespegueyaterrizaje)ydealtavelocidadsupersnicaencruceroenvuelo.


~5. 14 ~

Eldesarrolloagranescaladelasalasdegeometravariable,seinicienAlemaniadurantelaSegundaGuerraMundialconelMorphingAircraft837MesserschmittP1101,quetenabarrido del ala preestablecido (el ngulo de barrido se fij en el suelo). La primeraaeronave de oscilacin del ala fue el Bell X5(Fig. 5C), el cual vol en 1951, con unmecanismodebarridovariable.Esteavintendaagiros incontrolablesen laparadayelmecanismodebarridoensnoeramuyeficiente.

Fig.5C.ConfiguracindelaaeronaveBellX5quedemuestraelcambiotransformabledesualaElGrummanXF10F(Fig.5D)utilizaunmecanismosimilar,peronuncaentrenservicio.Swingalasseconvirtienviableamediadosde1950cuando laNASALangleyResearchCenter ha desarrollado un sistema de pivotes laterales del fuselaje (Polhamus yHammond,1967).

Fig. 5D Configuracin de la aeronave Grumman XF10F que demuestra el cambiotransformabledesuala.


~5. 15 ~

ElprimeravindeproduccinconcapacidaddegiroalafueelF111,quesedesarrollenlasdcadasde1960yentrenservicioen1967.Elavinfuediseadoparacumplirdosfunciones: comoun interceptordedefensa flotade laArmada yunavinde la FuerzaAreasupersnico.ElF111puededespegaryaterrizardentrode2000piescon lasalascompletamente extendidas y volar sobre Mach 2 con alas traseras completamentebarridas.Sualapodrabarrerde16a72,5##,aunqueelmontaje interiorde lospivotesdearrastredelalaresultencortemuyaltaavelocidadessupersnicas.

ElNorthropGrumman F14 Tomcat (Fig. 5E) entr en servicio en 1974 y su ngulo debarridodelalapuedevariarparadarlaptimaelevacinenvueloautomticamente.ElF14puedevolaryaterrizarconseguridadconalasbarridasasimtricamenteensituacionesdeemergencia.

Fig.5E.ConfiguracindelaaeronaveNorthropGrummanF14Tomcatquedemuestraelcambiotransformabledesuala.

CAPITULO

VI

Desarrollo de la Aeronave No

Tripulada Transformable

Con esfuerzo y algo de talento, lo imposible puede ser posible.

Carla ciccotosto

VI.DESARROLLODELAAERONAVENOTRIPULADATRANSFORMABLE

~6. 2 ~

Comoya lohemosmencionadoelconceptodeAeronaveTransformable,mejorconocidacomoMorphingAircraft,trataacercadevehculosdevuelocapacesdepodermodificarsuformayefectuartantouncambioen latareade laaeronavecomopara llevaracaboelcontroldevuelosinelusodesuperficiesdecontrolconvencionales.

Laclavedelaaeronavetransformableomorphingaircraftes la integracincompletadelcontrolenlaformadelaestructuradelala,unaestructuraverdaderamenteinteligente.Eldiseodeestosvehculosdebe tenerplenamenteencuenta lascargasaerodinmicasydebenconsiderarcuidadosamente losrequisitosdepotenciaparaelcontrolde la formaparagarantizarunamejoraenelrendimientogeneral.

Estacapituloabordar losprincipiosdemorphingydiscutirsusventajasydesventajas,entantoquenosconcentraremosendospropuestasque leaplicaraa lasaeronavesnotripuladas (UAVs). La confeccin aeroelstica,materiales compuestos y estructuras deentramadobiestables;ylaampliacindelaladebarridovariableysusimplicacionesparaelcontroldelvehculo.

6.1 INTRODUCCIN

Eldiseode lasaeronavesdealafijaconvencionales limitadodebidoa lasexigenciasdemltiples objetivos. Los mecanismos como flaps desplegables para proporcionar elestndaradaptativoalageometraactualdelperfilaerodinmicoproducenundiseoqueno es ptimo en muchos regmenes de vuelo. El desarrollo de nuevos materialesinteligentes junto con la siempre presente necesidad paramejorar el rendimiento delUAV, es cada vez ms incitado por los diseadores hacia el concepto de aeronavemorphing.Estosavionesposeenlacapacidadparaadaptaryoptimizarsuformadelogrardiferentestareas,conobjetivosmltiplesenlamisindemaneraeficienteyeficaz.

Las alas transformables para el control de vuelo repercutirn en nuevos retos para eldiseode leyesde controlparael vuelo.Debido a los cambiosde configuracin comomoverelcentroaerodinmico,elcontroldelaaeronaveduranteelcambiodeformaenla


~6. 3 ~

superficietransformablerequiereatencin.Por lotanto, losmecanismosmorphingy lossistemasdecontroldegranrelevancia.

Unade lasprincipalesventajasdeunaplataforma transformableseraelaumentode larentabilidad de las aeronaves a travs de la eliminacin de la necesidad de costosas ymltiplesaeronavesasignadasespecficamenteparaunamisinenespecial.Sinembargo,desde las actuales tendencias de la investigacin en esta rea, es evidente que larealizacinprcticadeunaestructuramorphingesunobjetivoparticularmenteexigentedondeungranesfuerzotodavaserequiere.

Estosedebeprincipalmentealanecesidaddequecualquierfuselajemorphingpropuestoposeeconflictosdehabilidadesparasercompatibleenloestructural,comoparapermitircambiosde configuracin, sino tambinpara ser suficientemente rgidospara limitar ladivergenciaaeroelstica.

Generalmenteexistencuatroaplicacionesdelmorphing:

Mejoradelperformancedelasaeronavesparaampliarsuenvolventedevuelo. Sustituye las superficies convencionales de control de vuelo para mejorar el

rendimientoypodersermssilenciosas. Reducirlaresistenciaparamejorarelrangoy Reducirlavibracinoelcontroldealeteo.

Estasdiferentesaplicacionessonconsideradascomomorphing,sinembargocadaunoesmuydiferenteentrminosdelamagnituddelaformarequeridaydelcambiodeltiemponecesario para que estos cambios sean constantes.Afortunadamente grandes cambiosparamejorarelrendimientoslorequieredeunabajafrecuenciaycambiosmuyrpidospara el control de la vibracin slo tienen que ser de amplitud pequea. Sin embargotodas las aplicaciones requieren que se logre el objetivo delmorphing demejorar elrendimiento y /o funcionalidad.Amenudo,estamejora ser aexpensasdeunmayorpesoycomplejidad,ylamejoradelrendimientodebetenerencuentaesto.


~6. 4 ~

Las tecnologas estructurales disponibles para lograr un cambio en la forma de avintransformablepuedencaerendoscategorasprincipales, lasdecambiosde formaen lasuperficieconmecanismosrgidosylasdecumplimiento.

Los sistemas de control de vibracin se basan generalmente en aplicar una fuerzadirectamentea laestructura.Paraelcontrolde la forma, losactuadoressonnecesariosparaefectuarel cambiode forma,ademsdeque senecesitan sensoresparamedir ladeflexinreal,aunquelosactuadoresysensoresnoseconsideranmsaqu.

Losmovimientos a gran escala demorphing para la configuracinmorphing (es decircambios significativos forma en la superficie) incluyen: extensinde ala, alaplegable ybarridodelala.

Importantesmejoras en el rendimiento aerodinmico son slo alcanzables a travs degrandescambiosglobalesenlageometradelosavionesatravsdeunbarridodelala,ensusuperficiey/osuenvergadura.

Laaplicacindemorphingparacontroldevuelogeneralmenteimplicapequeoscambiosgeomtricosdelalatalescomoladelusodeslatsyflapsdesplegables,ascomotcnicasde deformacin del ala para mejorar la autoridad de control de la aeronave. En laactualidad, en ambas de estas categoras, de mediana a gran escala los cambios seobtienen con dispositivos mecnicos complejos y sofisticados, aumentandosignificativamente la instalacin y los costesdemantenimiento, as comoelpesode laestructurade la estructura del avin. Es evidente, pues,que ganancias sustanciales enestasreaspodranhacersesimtodoalternativosparapromulgarestoscambiosfueranencontrados. Los movimientos bsicos de morphing para el control de vuelo sinproblemas incluyen: giro del ala, cambio de la cmara del ala y extensin de alaasimtrica.

Cada uno de stos se discuten a continuacin con ambos ejemplos dados: analticos yexperimentales.


~6. 5 ~

6.2 CAMBIOS DE FORMA EN LA SUPERFICIE

Grandes cambios de la forma del rea en la superficie pueden ser obtenidos de dosmaneras.LaprimeraesunadisposicindealaplegablepropuestoporLockheedMartinyseilustraacontinuacinenlaFigura6A.

Fig.6A.ElLockheedMartinalaplegableconcepto.

Una alternativa al plegado del ala es la extensin del ala, investigada por RaytheonCorporation,estaextensindelalafueutilizadaensumisildecruceroyloscualesfueroncapaces de aumentar en gran medida su rango. Las simulaciones numricas yexperimentosen lasprolongacionesdelalatodasellasverificadasconunmodelodeRC.Lassimulacionesnumricasutilizadasenelanlisisdinmicoconelcambiodemasaparaelmodeladodinmicoy losmtodoscombinadosconDATOCMDigitalparaelmodeladoaerodinmico,parasimularunmisildecruceroconlaextensindelala(Fig.6A).

Losresultadosmostraronunaumentodel28%msenelrangodeunalaconvencional.UnavindeRCestabaequipado conun sistemadealaextendida y voladopara ilustrar laposibilidad de variar un incremento ymantener la estabilidadmientras se extiende yretraelasalas.LaaeronaveseilustraenlaFigura6B.


~6. 6 ~

Fig.6B.Unavinderadiocontrolmodelodeavinailustrarlosaspectosprcticosdelaextensindelala.Ademsdeusar laextensindel cambiode formade la superficiedelala, laextensintambinsepuedeutilizarasimtricamenteparaelcontroldelbalanceo.Unavezmselsistema de Crucero de misiles se utiliz como base para simular el dinmico, laaerodinmica y control, para descubrir el posibilidades de control de balanceo. Lassuperficiesdecontrolenunmisildecruceroconvencionalestnenlaseccindecola.

Laextensindelala resulta tenerun controldemayorautoridaddebancoa suvezencomparacinconlacolaunavezqueelngulodeataqueessuperiora3.Elmomentodebalanceoesproducidopor ladiferencialdeenvergadura.Debidoaesto,elconceptodelusodelaextensincontraunalasimtricaarealizarunamaniobradebalanceosellevacaboenunRCavin.Enestecaso,elplanoenlaFigura6Beramodificadaporlaadicindeun segundomotoryconjuntodeengranajesasquecadaalapodraextenderseporseparado.Laextensinasimtricaserepresentaenlafigura6C

Fig.6C.RCvoladorconextensindealaasimtrica


~6. 7 ~

6.3 MODELO DE TUNEL DE VIENTO PARA CAMBIOS DE SUPERFICIE

Conelfinde investigarelbarrido,elgiroyelcambiodecmara,unmodelodetneldeviento fuediseadoparapermitirestosestudios tantoaerodinmicoscomodecontrol.Una dificultad evidente en el diseo de una aeronavemorphing es el demodelar laaerodinmica, aun utilizando programas computacionales para su anlisis, algunosfenmenospuedenescaparasuevaluacin.Por lotanto, laspruebasdetneldevientosevuelvennecesarias.

MotivadosporelprogramadeDARPAMorphingAircraftunmodelodetneldevientofueconstruidodemaneraqueloharaelbarrido,elgiroyelcambiodelcuerpodecmara.EldispositivocreadosemuestraenlasFiguras6Dy6E.

Fig.6D.Alamorphingdeavinexperimentalenelmododeataqueeneltunedeviento.

Fig.6E.Configuracindeplaneoeneltneldeviento.


~6. 8 ~

Un primer resultado verificado por el modelo de tnel de viento es el efecto de laelevacindemorphing y laproporcinde arrastre. LosdiagramasdeCL contra CD seilustran cmo de baja resistencia y pueden sermantenidos sobre un rango grande deascenso.EstosdatossonseilustranenlaFig.6F.[10]

Fig.6F.CLcontraCDcomolaformaesmedidaenuntoneldeviento

6.4 PROBLEMAS DE CONTROL EN EL CAMBIO FORMA DE SUPERFICIE

Losprincipalesproblemasenelcontroldeunavinmorphingsecentranenlaestabilidad.Con los cambios radicales en forma en planta vienen cambios dramticos en el centroaerodinmico.Elpuntoaabordaresqueelsistemadecontrolseaestable,mientrasseamorphing. [10]Elsegundopunto,esten l formade cmocombinarelcontroldevuelocon morphing controlar simultneamente. Actualmente, la limitada experiencia convehculos voladoresmorphing ha sido base en la separacin de los dos con el fin demantener estabilidad. Con la excepcin de usar una extensin asimtrica del ala,accionadores independientesdecontrolhansidoutilizadosparacambiar la forma,paramantenerestabilidad.Lamayoremocinradicaen laposibilidaddecombinarelcontroldevueloyelmorphingsimultneamente.

6.5 ESTRUCTURAS FLEXIBLES

Con el propsito de minimizar el peso estructural y complejidad, los materialescompuestosproporcionanunaprometedora solucin, yaquepresentan alta resistencia


~6. 9 ~

especficay laproporcinde rigidez.Laestructuraprimariadevuelo, talescomoalasofuselaje,estndiseadosprincipalmenteconpanelesrgidos.

Las estructuras demateriales compuestos puede ser rgidas amedida, y esta es unaventajasignificativasobrelasestructurasmetlicas.

Elobjetivode laadaptacindelaeroelsticaesproporcionar intrnsecamorphingpor lautilizacindeacoplamientoelstico.

Comoejemplo, consideremosunala rectangular con cuerdade302mm,1.2mde semienvergadura, un NACA 4412 perfil y con cargas aerodinmicas elpticas. El ngulo deataqueesde8y lavelocidaddelaireen40m/s.Elalaest rgidaysedivideencincoseccionesparmetros spanwise ydiferentesparmetrospara laestructuradelmaterialcompuestodecadaregin.

Enunprincipio las cubiertas superiore inferiorestnenundesequilibrio laminado con(+45)capas,conunespesorquevarade1,5mmenlaraza1mmenlapunta.Lapartefrontal y largueros posteriores constan de un laminado simtrico con (+45 / 45 ) ycapasde1mmdeespesor.Lafigura6Gmuestraladeformacindelabandaenestecaso.Lafig.6Hdestacaqueunlaminadocon(+45)capasproducenelmayorgiro.[11]

Fig.6G.Deflexinelsticadelala.


~6. 10 ~

Fig.6H.Torsindelalaelsticaparadiferentescubiertasdecapasdedirecciones(veeslapuntahaciaabajo).

6.6 ESTRUCTURAS COMPUESTAS MLTIESTABLES

Estoscomprendenlaminadosnosimtricosqueexhibendesplazamientosfueradeplano.Estos desplazamientos son causados por los campos de esfuerzos residuales inducidosduranteelprocesodeenfriamientodellaminadoentrelamsaltatemperaturadecurado(~160C) y la temperatura ambiente (~20C). Las tensiones trmicas son generadasprincipalmentepor lafaltadeadecuacinde loscoeficientesde laexpansintrmicadelas capas constituyentes; la secuencia de pila asimtrica permite que las tensionesgeneren momentos de flexin y torsin dentro del laminado, lo que resulta endesplazamientos.Silasfuerzasinternaslleganamsdeunnicoequilibrioestable,existeunagranventajaparaeldiseadordebidoaqueunanicaestructurapuede logrardosconfiguracionesgeomtricasdiferentes.Esentoncesposibleajustardeunaconfiguracingeomtricaaotrausandoactuadores,yaqueambasconfiguraciones sonestables.Otrobeneficio es que el actuador slo se requiere para proporcionar energa durante elcomplementoatravsdelprocesoynomanteneraunaconfiguracin.

ElobjetivodelainvestigacindeBristoleseldesarrollodedirectricesdediseoutilizandoherramientasdeanlisisyelementosfinitosdeanlisisparaadaptarelcampodetensinresidualyponerderelieve lasposiblesaplicacionesdeaeronavemorphing. Inicialmentesehavalidadolosmodelosestructuralesdeelementosfinitosnolinealesdeplacasencilla.

LaFIG.6Imuestra lasecuenciade lapiladeunaplacadearmadotransversalmentey lasfiguras6Jy6Kcomparanlaformasexperimentalesparaunodelossolucionesestables.


~6. 11 ~

Fig.6I.Pilasecuenciadelatransversalmenteplacareforzada.

Fig.6J.Deformacilndricaestableparaeltransversalmentereforzadoplato.

Fig.6K.Prediccindeelementosfinitosdelaformaestablecilndrica.

Unconceptoqueseest investigandoesunbarridovariableala,queesuna tecnologabienconocidaconsignificativasventajasaerodinmicas.Latradicionaltcnicaconsisteenalas giratorias rgidas. Este diseo produce una concentracin de cargas estructuralesalrededordelpivoteypor lo tantorequieredematerialesdealtaresistenciaycostosastcnicasdefabricacin.


~6. 12 ~

Elusodeuncompuesto laminadoasimtricoesta siendo investigadocomounenfoquealternativopara realizarunaladebarridovariable.Enparticular,unaaplicacinUAVseconsidera. El objetivo es realizar de dos largueros del ala con una regin laminadoasimtricocercadelaraz.Sielmomentodeflexinaplicadoenunlarguerocompuestoesmayorqueunvalorcrtico,laestructurasecomportacomounabisagra,comosemuestraenlaFig.6L

Fig.6L.Deformacintpicadelaestructuradearmadura.

Elconcepto inicialdeunaestructuraentramadaes lacreacindeunaestructuraactiva,por lasustitucinde losmiembrosdebarraconactuadores lineales.Dichosistematienecomo objetivo proporcionar una solucin ideal al problema de la transformacinestructuralporlaeliminacindelaresistenciaaladeformacinestructural.

El patrn de entramado Kagome tienemuchas propiedades tiles para las estructurasmorphing.Unperfilaerodinmicosehacreadoconunaredderepeticindelaestructurade la red Kagome[12], con nodos altos y bajos despl

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