La aeroelasticidad es la rama de la física y la ingeniería que estudia las interacciones entre las fuerzas inerciales , elásticas y aerodinámicas que ocurren mientras un cuerpo elástico está expuesto a un flujo de fluido . El estudio de la aeroelasticidad se puede clasificar en términos generales en dos campos: aeroelasticidad estática que se ocupa de la respuesta estática o en estado estacionario de un cuerpo elástico a un flujo de fluido, y aeroelasticidad dinámica que se ocupa de la respuesta dinámica (típicamente vibratoria ) del cuerpo.
Los aviones son propensos a sufrir efectos aeroelásticos porque deben ser livianos y soportar grandes cargas aerodinámicas. Las aeronaves están diseñadas para evitar los siguientes problemas aeroelásticos:
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 del suelo y pruebas de aleteo en vuelo . El aleteo de las superficies de control generalmente se elimina mediante la cuidadosa colocación de 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 fracaso del prototipo de avión de Samuel Langley en el Potomac se atribuyó a efectos aeroelásticos (específicamente, divergencia torsional ). [1] Uno de los primeros trabajos científicos sobre el tema fue la Teoría de la estabilidad de un avión 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 prueba y- error y rigidez ad hoc del ala. El primer caso registrado y documentado de aleteo en un avión fue el que le ocurrió a un bombardero Handley Page O/400 durante un vuelo en 1916, cuando sufrió una violenta oscilación de la cola, que provocó una distorsión extrema de la parte trasera del fuselaje y de los elevadores para moverse. asimétricamente. Aunque el avión aterrizó sin problemas, en la investigación posterior se consultó a FW Lanchester . Una de sus recomendaciones fue que los ascensores izquierdo y derecho deberían estar conectados rígidamente mediante un eje rígido, lo que posteriormente se convertiría en un requisito de diseño. Además, se pidió al Laboratorio Nacional de Física (NPL) que investigara teóricamente el fenómeno, 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 en sí fue acuñado por Harold Roxbee Cox y Alfred Pugsley en el Royal Aircraft Establishment (RAE), Farnborough , a principios de la década de 1930. [2]
En el desarrollo de la ingeniería aeronáutica en Caltech , Theodore von Kármán inició un curso "Elasticidad aplicada a la Aeronáutica". [3] Después de impartir el curso durante un trimestre, 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 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 de repente se vuelve teóricamente infinita, lo que normalmente provoca que el ala falle. La inversión de control es un fenómeno que ocurre sólo 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 balanceo asociada con un momento de alerón determinado).
La divergencia ocurre cuando una superficie de elevación se desvía bajo una carga aerodinámica en una dirección que aumenta aún más la sustentación en un circuito de retroalimentación positiva. El aumento de sustentación desvía aún más la estructura, lo que finalmente lleva la estructura al punto de divergencia. A diferencia del aleteo, que es otro problema aeroelástico, en lugar de oscilaciones irregulares, la divergencia hace que la superficie de elevación 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 de elevación principal. Para modelos simples (por ejemplo, un solo alerón 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 servo-flap de Kaman. [7]
La aeroelasticidad dinámica estudia las interacciones entre fuerzas aerodinámicas, elásticas e inerciales. Ejemplos de fenómenos aeroelásticos dinámicos son:
El aleteo es una inestabilidad dinámica de una estructura elástica en un flujo de fluido, causada por una retroalimentación positiva entre la desviación 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 experimenta un movimiento armónico simple ( amortiguamiento neto cero ) y, por lo tanto, cualquier disminución adicional en el amortiguamiento neto dará como resultado una autooscilación y una eventual falla. 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 masa entre la inercia del cabeceo de la lámina y la del cilindro de fluido circundante es generalmente demasiado baja para que se produzca un aleteo binario, como lo muestra la solución explícita del determinante más simple de la estabilidad del aleteo y el cabeceo. [9]
Las estructuras expuestas a fuerzas aerodinámicas (incluidas alas y perfiles aerodinámicos, pero también chimeneas y puentes) generalmente se diseñan cuidadosamente dentro de parámetros conocidos para evitar el aleteo. Las formas contundentes, 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 tracas alrededor de las chimeneas para detener la formación de estos vórtices.
En estructuras complejas donde no se comprenden completamente ni la aerodinámica ni las propiedades mecánicas de la estructura, el aleteo sólo puede descartarse 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 del avión, pero en su forma más violenta, puede desarrollarse incontrolablemente a gran velocidad y causar daños graves al avión o conducir a su destrucción, [10] como en el caso de Northwest Airlines. El vuelo 2 en 1938, el vuelo Braniff 542 en 1959 o los prototipos del avión de combate finlandés VL Myrsky a principios de los años 40. Es famoso que el puente Tacoma Narrows original 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 el aleteo. [12]
El aleteo por giro de la hélice es un caso especial de aleteo que involucra los efectos aerodinámicos e inerciales de una hélice en rotación y la rigidez de la estructura de soporte de la góndola . Puede producirse inestabilidad dinámica que implica 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 que se produjera un remolino 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 los aviones 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] En mayo de 1976, Farmer y Hanson del Centro de Investigación Langley informaron sobre un fenómeno que afecta la estabilidad de las aeronaves conocido como "hundimiento transónico", en el cual la velocidad de aleteo puede acercarse a la velocidad de vuelo . [dieciséis]
Los golpes son una inestabilidad de alta frecuencia, causada por la separación del flujo de aire o las oscilaciones de las ondas de choque de un objeto que golpea a 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 del avión debido al flujo de aire aguas abajo del ala. [ cita necesaria ]
Los métodos para la detección de buffet son:
En el período 1950-1970, AGARD desarrolló el Manual de 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 implica no sólo 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 hacer 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 fluctuación y, si es necesario, probar soluciones a posibles problemas. Pequeños cambios cuidadosamente elegidos en la distribución de masa y la rigidez estructural local pueden ser muy eficaces para resolver problemas aeroelásticos.
Los métodos para predecir el aleteo en estructuras lineales incluyen el método p , el método k y el método pk . [7]
Para los sistemas no lineales , el aleteo generalmente se interpreta 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 el aleteo. [19]
Estos videos detallan el programa de investigación de vuelo de dos fases de la NASA y la Fuerza Aérea Active Aeroelastic Wing para investigar el potencial de las alas flexibles con torsión aerodinámica para mejorar la maniobrabilidad de aviones de alto rendimiento a velocidades transónicas y supersónicas , con superficies de control tradicionales como alerones y guías. solapas de borde utilizadas para inducir el giro.
