configuracion_1

Vista previa del material en texto

Diseño de Aeronaves
Configuración
Universidad de Concepción
Departamento de Ingeniería Mecánica
Diseño de Aeronaves Configuración 1
Configuración
Luis Quiroz L.
Frank Tinapp D.
• Configuraciones convencionales
– Variaciones respecto a posición de propulsores, posición 
vertical del ala, planos de cola (empenaje) y tren de 
aterrizaje
• Disposiciones no convencionales
– Biplanos, barrido variable, aletas canard, doble boom, 
multicascos, span-loaders, joined wing y alas voladoras 
(blended wing body)
General
Diseño de Aeronaves Configuración 2
(blended wing body)
• Configuraciones especiales
– Despegue y aterrizaje corto y vertical, furtividad, 
operaciones naúticas.
Configuración convencional
Airbus A330
Diseño de Aeronaves Configuración 3
C-130 Hércules
Boeing 747
Configuración convencional
Variaciones:
• Ubicación de propulsores
– Nariz, ala, fuselaje posterior, interno
• Ubicación de entrada de aire
– Nariz, lateral, ventral, dorsal.
• Ubicación vertical del ala
Diseño de Aeronaves Configuración 4
– Arriba, abajo, mitad
• Disposición de planos de cola
– Incidencia variable, móviles, cola en T, 
multiplanos, mariposa(en V).
• Disposición de tren de aterrizaje
– Triciclo, cuadriciclo, número de boogies y ruedas
Ubicación de propulsores
Montaje en nariz
• Ubicación más lógica para aeronave de hélice única 
tractora
Diseño de Aeronaves Configuración 5
• Ventajas incluyen: simetría de la configuración, buen 
despeje de la hélice, acceso y mantención.
• Desventaja: Posible mala visibilidad del piloto en 
carreteo
Supermarine Spitfire P-51 Mustang
Ubicación de propulsores
Montaje en ala exterior
Lockheed Constellation
Diseño de Aeronaves Configuración 6
Lockheed Constellation
B-52
Boeing 767
Ubicación de propulsores
Montaje en ala exterior
• Uso extendido:
– Grandes aeronaves con hélices, turbojets o trubofans
– Para jets/fans, carenados y montados en pilones bajo las 
alas
– Para hélices, montados directamente en la estructura del ala
• Ventajas incluyen:
Diseño de Aeronaves Configuración 7
• Ventajas incluyen:
– Versatilidad para uso con diferentes motores
– Disposición general compacta
– Alivio de la carga sobre la estructura del ala
– Fácil acceso para mantención
Ubicación de propulsores
Montaje en ala exterior
• Desventajas y consideraciones:
– Despeje a tierra puede ser un problema que requiera alas 
más altas (con trenes de aterrizaje muy largos) o motores 
montados arriba del ala con penalidades aerodinámicas 
(Bae 748) , o carenados de fan no circulares (737-800)
– Localización a lo largo de la envergadura depende de 
diámetro de la hélice o trayectoria e impacto por la pérdida 
Diseño de Aeronaves Configuración 8
diámetro de la hélice o trayectoria e impacto por la pérdida 
de en álabe del fan.
– Valores típicos son 30% y 55% de la semi-envergadura para 
un diseño de 4 motores. Valores mayores dan grandes 
problemas de control en caso de pérdida de motor y 
tamaños mayores de timón.
Ubicación de propulsores
Montaje en ala exterior
Diseño de Aeronaves Configuración 9
Bae 748 Shorts SD360
Boeing 737-800
Ubicación de propulsores
Montaje en ala interior
• Requiere una estructura del ala más pesada
Diseño de Aeronaves Configuración 10
B-1 Lancer
DeHavilland Comet
Ubicación de propulsores
Montaje en pilones a fuselaje posterior
Diseño de Aeronaves Configuración 11
DC-10
A-10 ThunderboltMD-11
Embraer RJ145
Ubicación de propulsores
Montaje en pilones a fuselaje posterior
• Uso en aeronaves de transporte de tamaño 
moderado en el pasado y modernos jet pequeños de 
negocios
• Ventajas:
– Reduce la deriva en falla de motor lo que permite un timón 
más pequeño
Diseño de Aeronaves Configuración 12
más pequeño
• Desventajas:
– Movimiento del CG hacia atrás lo que provoca problemas de 
estabilidad
– Fatiga estructural de fuselaje por acústica
Ubicación de propulsores
Pilones en ala v/s pilones en fuselaje posterior
Ground Clearance
Possible problem Good
Internal Noise
Diseño de Aeronaves Configuración 13
Fair Good
Acoustic Fatigue
Possible problem for wing & 
flaps
Possible problem for fuselage
Crash Safety
Good Possible problem
Ubicación de propulsores
Pilones en ala v/s pilones en fuselaje posterior
Propulsive Efficiency
Good OK if well positioned
Longitudinal Stability
Diseño de Aeronaves Configuración 14
Longitudinal Stability
Good Problems due to aft CG & 
short tail arm
Tip Stall
Good Possible problem 
Asymmetric Thrust
Poor Good
Ubicación de propulsores
Pilones en ala v/s pilones en fuselaje posterior
Weight
Good Poor
Engine Maintenance
Diseño de Aeronaves Configuración 15
Good High off ground
Wing Aerodynamic Efficiency
Problems from cut-outs Very good 
Fuel Feeds to Engines & Wing Anti-Icing
Good Ducts and lines through cabin
Ubicación de propulsores
Alojamiento interno
Diseño de Aeronaves Configuración 16
Sepecat JaguarPanavia Tornado
SAAB Gripen
Ubicación de propulsores
Alojamiento interno
• Uso en la mayoría de aeronaves de uno o dos 
turbojet/turbofan tales como entrenadores militares y 
cazas
• Ventajas:
– Distribución compacta
– Reduce el arrastre
Diseño de Aeronaves Configuración 17
– Reduce el arrastre
• Desventajas:
– Problemas para la remoción del motor y su mantenimiento
– Fatiga estructural de fuselaje por acústica del chorro
– Longitud de tubo de salida de gases minimizada moviendo 
el motor hacia atrás afectando CG, estabilidad y control
Ubicación vertical del ala
Ala alta
C-17
Mallard
Diseño de Aeronaves Configuración 18
Lockeed C-130 Hércules
G-222
Ubicación vertical del ala
Ala alta
• Entrega una eficiente distribución de sustentación a 
lo largo de la envergadura llevando a un bajo arrastre 
inducido
• Mejora la estabilidad lateral estática
• Se prefiere para la mayoría de las aeronaves cargo y 
transporte militar
Diseño de Aeronaves Configuración 19
transporte militar
– Baja línea del piso para fácil carga y descarga
– Buen acceso vehicular cuando está en tierra
– Combustible del ala lejos de la tierra cuando aterriza con 
tren fallado
– Buen despeje para propulsores, especialmente hélices
Ubicación vertical del ala
Ala baja
Boeing 737Boeing 777
Diseño de Aeronaves Configuración 20
Boeing 777
Airbus A380
Falcon 2000
Ubicación vertical del ala
Ala baja
• Mejora la maniobrabilidad lateral
• Se prefiere para la mayoría de las aeronaves de 
transporte de pasajeros
– Estructura del ala pasa bajo el piso
– Volumen libre adelante y atrás del ala para carga, equipaje y 
almacenamiento del tren de aterrizaje
Diseño de Aeronaves Configuración 21
almacenamiento del tren de aterrizaje
– Minimiza la longitud del tren de aterrizaje y su masa
– El ala provee flotación cuando acuatiza y es una plataforma 
de evacuación de emergencia
Empenaje
Disposición convencional
Boeing 737Boeing 777
Diseño de Aeronaves Configuración 22
Boeing 777
Airbus A380
Empenaje
Disposición convencional
• Un 70% de las aeronaves en servicio tienen una 
disposición convencional que comprende un 
estabilizador horizontal fijo y superficies verticales 
para estabilidad y secciones elevadoras y de timón 
ligadas a las superficies fijas para control
• Es la solución más simple y provee una performance 
Diseño de Aeronaves Configuración 23
• Es la solución más simple y provee una performance 
general óptima en la mayor parte de los casos
Empenaje
Estabilizador horizontal de incidencia variable
Boeing 757-200
Sabre
Diseño de Aeronaves Configuración 24
Boeing 757-200
Airbus A320
Dassault Falcon 20
Empenaje
Estabilizador horizontal de incidencia variable
• La sección principal ( delantera) de la superficie 
horizontal del empenaje es capaz de rotar en un 
pequeño rango de ángulos de ataque
• Se usa para ajustar el cabeceo en lugar de usar los 
elevadores convencionales
• Utilizable para contrarrestar el incremento 
Diseño de Aeronaves Configuración 25
• Utilizable para contrarrestar el incremento 
significativodel momento de cabeceo causado por el 
despliegue de dispositivos de hipersustentación.
• Los elevadores se siguen utilizando para el control 
del cabeceo.
Empenaje
Estabilizador horizontal móvil (slab)
Tornado GR1 F-5 Tiger
Diseño de Aeronaves Configuración 26
Tornado GR1 F-5 Tiger
A5 Vigilante A7 Corsair
Empenaje
Estabilizador horizontal móvil (slab)
• Todo el plano horizontal se utiliza tanto para 
controlar y ajustar el cabeceo (no hay elevador 
abisagrado separado)
• Ofrece ventajas en velocidades transónicas y 
supersónicas a las cuales la efectividad de las 
superficies convencionales se reduce 
Diseño de Aeronaves Configuración 27
superficies convencionales se reduce 
dramáticamente
• Adoptado universalmente para cazas supersónicos
• Con movimiento diferencial mejora la tasa de roll 
(Tailerons)
• Se requieren controles asistidos debido a las 
grandes fuerzas de control producidas.
Empenaje
Cola en T
Diseño de Aeronaves Configuración 28
Douglas DC-9 C-5A Galaxy Beechcraft Duchess
C-9 Nightingale
Lockheed C-141 Starlifter
Empenaje
Cola en T
• Plano horizontal montado en el extremo superior del 
estabilizador vertical
• Utilizado en grandes diseños de ala alta y también en 
pequeños de ala baja
• Ventajas:
– Proporciona el efecto de reducir el vórtice en la punta del 
Diseño de Aeronaves Configuración 29
– Proporciona el efecto de reducir el vórtice en la punta del 
plano vertical reduciendo el tamaño requerido
– Se aleja de los vórtices de hélices y ala durante el vuelo de 
crucero reduciendo la fatiga y “buffet”
– Permite que los motores sean montados en la parte trasera 
del fuselaje si se requiere
Empenaje
Cola en T
• Desventajas:
– Aumenta la masa del empenaje debido a las mayores 
cargas y efectos aeroelásticos
– Incrementa la pérdida de sustentación en altos ángulos de 
ataque y uso de dispositivos hipersustentadores que 
provocan vórtices haciendo la recuperación del cabeceo 
difícil o imposible
Diseño de Aeronaves Configuración 30
difícil o imposible
Empenaje
Planos verticales múltiples
Diseño de Aeronaves Configuración 31
Lockheed Constellation
B-24 Liberator
Avro Lancaster
Lockheed A-29
Empenaje
Planos verticales múltiples
• Cuando se requiere un plano vertical muy grande, es 
preferible utilizar dos o mas planos más pequeños
• Permitió al Constellation operar en hangares 
existentes
• Produce un deseable efecto de placa terminal al 
plano horizontal, reduciendo los requerimientos de 
Diseño de Aeronaves Configuración 32
plano horizontal, reduciendo los requerimientos de 
tamaño.
• Los planos deben ubicarse lo suficientemente 
apartados uno de otro para no influenciarse 
aerodimámicamente.
• Planos ubicados en el flujo de las hélices mejoran el 
comportamiento del timón
• Difícil de evitar “stall” en ángulos grandes de 
deslizamiento lateral 
Empenaje
Planos verticales dobles en cazas
Diseño de Aeronaves Configuración 33
MIG-29 Fulcrum
F-15 Eagle
F-14 Tomcat
F-18 Hornet
Empenaje
Planos verticales dobles en cazas
• Asociados con cazas supersónicos
• Más compatibles con cazas de dos motores 
(F14/F15/F18) que motores únicos debido a 
consideraciones de falla de un motor
• En aplicaciones supersónicas los efectos de 
interferencia desaparecen cuidando que las líneas de 
Diseño de Aeronaves Configuración 34
interferencia desaparecen cuidando que las líneas de 
Mach no se intersecten.
• Puede entregar un escudo infrarrojo del escape del 
motor para mejorar la furtividad, especialmente si 
están inclinados (F22) 
• Menor altura mejora el comportamiento aeroelástico
Empenaje
Empenaje mariposa (o en V)
Diseño de Aeronaves Configuración 35
Lockheed F-117 Nighthawk Beechcraft Bonanza
Empenaje
Empenaje mariposa (o en V)
• Los planos verticales y horizontales se combinan en 
un par de superficies inclinadas
• Los roles de estabilizador horizontal/elevador y 
estabilizador vertical/timón están combinados.
• Ventajas:
– Menos arrastre por interferencia, menor superficie total, 
Diseño de Aeronaves Configuración 36
– Menos arrastre por interferencia, menor superficie total, 
mejores características de furtividad.
• Desventajas:
– Acoplamiento cruzado de las características de estabilidad y 
control, dificultades de manejo, necesidad de un sistema de 
control de vuelo completamente automático.
Tren de aterrizaje
Triciclo
Douglas A4-F Skyhawk Hawker Hunter
Diseño de Aeronaves Configuración 37
Douglas A4-F Skyhawk Hawker Hunter
Cessna 172N
Bae Hawk
Tren de aterrizaje
Triciclo
• El más convencional:
– Par de patas principales detrás del CG
– Única pata de nariz delante del CG
• Cada pata incorpora:
– Amortiguador para disipar energía de aterrizaje
– Rueda(s) única o lado a lado o bogie múltiple
Diseño de Aeronaves Configuración 38
– Rueda(s) única o lado a lado o bogie múltiple
• Generalmente sólo ruedas principales tienen frenos.
• Sólo la rueda de nariz es direccionable
• Para dirección efectiva la pata de nariz debería 
soportar entre 6 y 10% de la masa total
• Debe proveerse lugar para el montaje y 
almacenamiento de las unidades.
Tren de aterrizaje
Triciclo
• La posición lateral está dictada por la necesidad de 
prevenir el volcamieinto durante las maniobras en 
tierra
• El número de ruedas depende de la masa de la 
aeronave que es necesario repartir a más ruedas 
para no sobrepasar la resistencia del pavimento de la 
Diseño de Aeronaves Configuración 39
para no sobrepasar la resistencia del pavimento de la 
pista.
• Variantes:
– Bogie de dos ejes
– Bogie de tres ejes
– Tres o cuatro patas principales
– Múltiple patas en ejes únicos
Tren de aterrizaje
Triciclo (Bogie de dos ejes)
• Necesario si la masa de la aeronave es entre 90 y 
200 toneladas
Diseño de Aeronaves Configuración 40
Airbus A310
Airbus A330
Boeing C-135
Tren de aterrizaje
Triciclo (Bogie de tres ejes)
• Para aeronaves mayores de 210 toneladas
•En ambos los bogies principales 
son direccionables para reducir el 
radio de giro y desgaste de 
Diseño de Aeronaves Configuración 41
radio de giro y desgaste de 
neumáticos
Tren de aterrizaje
Tres patas principales
• Adicional para repartir la carga. Ejemplo Airbus A-
340:
• 2 ruedas de nariz y 3 patas principales con dos 
bogies de doble rueda: 14 ruedas en total
Diseño de Aeronaves Configuración 42
Tren de aterrizaje
Cuatro patas principales
• Transportes civiles muy grandes de ala baja >300 
toneladas. Ejemplo Boeing 747.
• Problemas de anclaje y almacenamiento
Diseño de Aeronaves Configuración 43
Tren de aterrizaje
Múltiples patas principales con ejes únicos
• Buena opción para transportes militares pesados de 
ala alta con almacenamiento en fuselaje. 
•El Antonov An124 Cóndor 
tiene 24 ruedas: 4 
delanteras con 2 patas y dos 
Diseño de Aeronaves Configuración 44
delanteras con 2 patas y dos 
ruedas por pata y diez patas 
principales con dos ruedas 
cada una
Configuraciones no convencionales
• Barrido variable
• Aletas canard
– Acoplamiento largo
– Acoplamiento corto
– Con alas de barrido hacia adelante
• Tres superficies
Diseño de Aeronaves Configuración 45
• Tres superficies
• Doble boom
• Span-Loaders
• Alas voladoras (Blended wing-body)
Configuraciones no convencionales
Barrido variable
Diseño de Aeronaves Configuración 46
General Dynamics
F-111 MiG-23
F-14 Tomcat
Configuraciones no convencionales
Barrido variable
• Para resolver problema de diseño: Alto 
ángulo de barrido necesario para velocidades 
transónicas y supersónicas pero afecta la 
performance a bajas velocidades
• Ofrece mejor performance a un amplio rango 
de velocidades.
Diseño de Aeronaves Configuración 47
de velocidades.
• Desventajas:
– Incremento de masa debido a actuadores
– Incremento de complejidad y costos
– Incremento de arrastre por interacción entre parte 
móvil y fija
– Problemas de ajuste y estabilidad/control debido 
al movimiento del centro aerodinámico y CG. 
Configuraciones no convencionales
Aletas canard
Diseñode Aeronaves Configuración 48
Rockwell B-70 Valkyrie TU-144 Concordski
Configuraciones no convencionales
Aletas canard
• El plano horizontal del empenaje se 
reemplaza por un plano delantero mientras el 
ala principal se desplaza hacia atrás por 
estabilidad
– Canard sustentador - provee sustentación tanto 
Diseño de Aeronaves Configuración 49
– Canard sustentador - provee sustentación tanto 
como ajuste y control longitudinal
– Canard control – sólo ajuste y control longitudinal
• Antigua idea: El biplano de los hermanos 
Wright tenía una configuración canard.
Configuraciones no convencionales
Aletas canard
• Ventajas:
– Menor penalización por arrastre que el plano 
horizontal de empenaje convencional
– Respuesta mas rápida a manibra de cabeceo
– Posible ventaja de volumen disponible en fuselaje
– Previene escape de “pitch-up” asociado con “stall” 
Diseño de Aeronaves Configuración 50
– Previene escape de “pitch-up” asociado con “stall” 
de punta de alas de alto barrido
• Desventajas:
– Interferencia del flujo sobre la superficie del ala 
principal
– Incremento del momento de cabeceo en 
despliegue de flaps debido al aumento del brazo 
de momento. No pueden usarse dispositivos 
hipersustentadores muy complejos
Configuraciones no convencionales
Aletas canard. Acoplamiento largo
• Pequeñas canard ubicadas adelante lo suficiente 
para que los efectos de interferencia sean pequeños
• Adecuada para aeronaves supersónicas de largo 
alcance
• Efecto benéfico del plano delantero para reducción 
del arrastre en ajuste de cabeceo y en rotación de 
Diseño de Aeronaves Configuración 51
del arrastre en ajuste de cabeceo y en rotación de 
despegue. 
Configuraciones no convencionales
Aletas canard. Acoplamiento corto
•Plano delantero ubicado 
justo delante (y 
usualmente arriba del ala)
•Ubicación cuidadosa 
permite aumentar la 
efectividad de sustentación 
Diseño de Aeronaves Configuración 52
efectividad de sustentación 
más que la suma de las 
superficies sustentadoras
•Más aplicable a diseños 
de aeronaves de combate 
de gran agilidad
Dassault Rafale
Saab Gripen
Configuraciones no convencionales
Aletas canard. Con alas de barrido hacia adelante
Diseño de Aeronaves Configuración 53
Grumman X-29 A
Su-47 Berkut
Configuraciones no convencionales
Aletas canard. Con alas de barrido hacia delante
• Preferible barrido hacia atrás ya que da mejor 
compromiso de características aerodinámicas, 
especialmente estabilidad y control
• Barrido hacia delante más proclive a 
divergencia aeroelástica, evitada con aumento 
Diseño de Aeronaves Configuración 54
divergencia aeroelástica, evitada con aumento 
de masa.
• Configuración permite aumento de volumen 
disponible si el ala pasa a través del fuselaje 
bien atrás evitando la sección media
Configuraciones especiales
• Despegue corto y aterrizaje vertical 
(STOL,V/STOL, STOVL)
• Furtividad
• Operaciones acuáticas
– Aeroplanos con flotadores
– Barcos voladores
Diseño de Aeronaves Configuración 55
– Barcos voladores