Tecnologia Aerospacial

ENGINYERIA AERONÀUTICA
TECNOLOGIA
AEROSPACIAL
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30019 Tecnologia Aeroespacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 28/05/08
1
Crèdits: 9 ( 4,5 teoria + 4,5 pràctiques)
Crèdits ECTS: 7.2
Tipus: Troncal
Coordinador: Vanessa del Campo (vanessa.del.campo@upc.edu)
Altres Professors:
Presentació
Coneixements previs
Matemàtiques i Física General a nivell de 1er curs d’Enginyeria Aeronàutica.
Camps professionals
Disseny d’avions i helicòpters.
Disseny de motors i sistemes de propulsió.
Astronàutica i disseny de missions espacials.
Enginyeria de materials aeroespacials.
Disseny de vehicles espacials.
Relació amb altres assignatures
Aquesta assignatura es relaciona amb la pràctica totalitat d’assignatures específicament
aeroespacials, en particular les següents:
-
Disseny d’avions.
Disseny d’helicòpters.
Estructures Aeronàutiques.
Objectius generals
Aquesta assignatura pretén donar a l’alumne una visió general dels diferents àmbits de la tecnologia
aeroespacial. Tanmateix, pretén ser una introducció a d’altres assignatures que l’alumne veurà en els
següents cursos, i que aprofundiran amb més detall molts dels mòduls que aquí s’imparteixen.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30019 Tecnologia Aeroespacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 28/05/08
2
Temari
Mòdul 0
Introducció a l’assignatura.
•
•
•
•
(2 hores)
Presentació de l’assignatura de Tecnologia Aeroespacial.
Vehicles aeroespacials i sistemes de propulsió.
La indústria aeroespacial i el entorn.
Infraestructures del transport aeri.
Mòdul 1
Conceptes fonamentals de mecànica de fluids i aerodinàmica.
•
•
(8 hores)
Conceptes de Mecànica de Fluids.
o Fluïdoestàtica.
ƒ Teorema d’Arquímedes.
ƒ Aplicació a l’Atmosfera Estàndard Internacional (ISA).
o Fluïdodinàmica:
ƒ Número de Reynolds.
ƒ Concepte de fluid ideal.
ƒ Teorema de Bernouilli.
ƒ Definició de número de Mach.
Conceptes d’Aerodinàmica.
o Moviment d’un fluid al voltant d’un cos.
ƒ Camp fluid exterior i interior. Concepte de capa límit.
o Forces aerodinàmiques sobre un cos.
ƒ Coeficient de pressió.
ƒ Sustentació aerodinàmica.
ƒ Resistència: resistència de forma (o de pressió) i resistència de fricció.
o Aerodinàmica bidimensional:
ƒ Forces sobre un cilindre. Paradoxa de D’Alembert. Despreniment de capa
límit.
ƒ El perfil aerodinàmic. Definicions associades. Concepte d’angle d’atac.
ƒ Coeficient de sustentació, coeficient de resistència i coeficient de moment.
ƒ Variació dels coeficients aerodinàmics amb l’angle d’atac. Angle de
sustentació nul·la i angle crític (la pèrdua).
Mòdul 2
Anatomia dels avions
•
(10 hores)
Constitució general dels avions, components i diferents configuracions:
o Ala.
ƒ Definició de paràmetres associats a la geometria de l’ala.
ƒ Diferents configuracions segons les necessitats.
o Fusellatge.
ƒ Diferents configuracions.
ƒ Fusellatges pressuritzats i no pressuritzats.
o Estabilitzadors horitzontal i vertical.
ƒ Definició de paràmetres geomètrics.
ƒ Diferents configuracions. Configuració convencional i configuració “Canard”.
o Superfícies de control primàries i funció de cadascuna d’elles.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30019 Tecnologia Aeroespacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 28/05/08
•
•
•
•
•
•
3
ƒ Alerons.
ƒ Timó de Profunditat.
ƒ Timó de Direcció.
ƒ Spoilers
o Superfícies de control secundàries.
ƒ Flaps.
ƒ Slats.
ƒ Aerofrens.
o Planta motriu. (Es veurà amb més detall dins els mòduls 7,8 i 9)
ƒ Motor alternatiu i hèlix.
ƒ Motor a reacció. Reactor de flux únic i reactor de doble flux.
ƒ Motor turbohèlix.
o Tren d’aterratge.
ƒ Missió i tipus: terrestre, aquàtic i per operar a la neu.
ƒ Diferents configuracions: tricicle convencional, patí de cua, etc.
Càrregues que actuen sobre els avions.
o Definició dels pesos operacionals:
ƒ Pes Buit Bàsic (BEW) i Pes Buit Operatiu (OEW).
ƒ Càrrega de Pagament (P/L).
ƒ Pes Sense Combustible (ZFW).
ƒ Pes de Rodatge (TW).
ƒ Pes d’Enlairament (TOW).
ƒ Pes d’Aterratge (LW).
o Càrregues en vol i a terra:
ƒ Càrregues d’inèrcia.
ƒ Càrregues aerodinàmiques.
ƒ Càrregues del grup motopropulsor.
ƒ Càrregues giroscòpiques.
ƒ Càrregues de rodatge.
ƒ Càrregues d’aterratge.
o Paràmetres d’us en el càlcul estructural:
ƒ Velocitat equivalent.
ƒ Factor de càrrega.
o Diagrama de ràfegues i de maniobra.
Filosofies de construcció d’estructures aeronàutiques:
o Filosofia “Safe Life”.
o Filosofia “Fail Safe”.
o Filosofia “Damage Tolerant”.
Conceptes bàsics de resistència de materials.
o Concepte de càrrega.
o Concepte d’esforç. esforços normals i esforços tangencials.
o Concepte de deformació. Deformacions normals i deformacions tangencials.
ƒ Relació entre esforços i deformacions: Mòdul d’Elasticitat i Llei de Hook.
ƒ Càrregues i esforços en estructures esveltes: Tracció, Compressió, Flexió,
Tallant i Torsió.
Tipus de construcció d’estructures aeronàutiques.
o Construcció reticular.
o Construcció Monocasc. Elements de què consta.
o Construcció semi-monocasc. Elements de què consta.
Anàlisi de l’estructura d’un avió de transport modern.
o Ala.
o Fusellatge.
o Estabilitzadors.
Sistemes i equips de les aeronaus.
o Sistema Elèctric.
o Sistema Hidràulic.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30019 Tecnologia Aeroespacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 28/05/08
o
4
Sistema Pneumàtic.
Mòdul 3
Instruments i Sistemes d’Ajuda a la Navegació
•
•
•
(6 hores)
Instruments bàsics.
o Instruments de dades aire.
ƒ Altímetre.
ƒ Variòmetre.
ƒ Anemòmetre i Indicador de número de Mach.
o Instruments Giroscòpics.
ƒ Horitzó Artificial.
ƒ Girodireccional.
ƒ Indicador de Règim de Viratge.
o Instruments d’Indicació de Rumb Magnètic.
ƒ Brúixola.
ƒ Tele-brúixola.
o Sistemes integrats: Unitat de Referència Inercial i Dades Aire (ADIRU).
ƒ Computador Central de Dades Aire.
ƒ Sistema de Referència Inercial
Sistemes d’Ajuda a la Navegació.
o Instruments radioelèctrics de posicionament.
ƒ VOR
ƒ ILS
ƒ DME
ƒ Radio-altímetre
ƒ ADF
ƒ GPS
o Sistemes autònoms de posicionament:
ƒ Sistema de Navegació Inercial (INS).
ƒ Radar Doppler.
Instruments i sistemes de presentació de cabina.
o Sistemes de presentació convencionals.
o Presentació electrònica d’instruments de vol (EFIS).
o Instruments de sistemes (EICAS i ECAM).
Mòdul 4
Fonaments del vol dels avions.
•
•
•
(22 hores)
Forces que actuen sobre un avió en vol:
o Pes.
o Sustentació Aerodinàmica.
o Resistència Aerodinàmica.
o Empenta o tracció.
Estudi Aerodinàmic de l’avió.
o Aerodinàmica de l’ala:
ƒ Conceptes associats a l’Aerodinàmica de l’ala.
ƒ Influència de la forma en planta de l’ala en la sustentació i resistència
aerodinàmiques.
o Contribució aerodinàmica dels altres elements de l’avió: fusellatge, estabilitzadors i
tren d’aterratge.
o Polar aerodinàmica.
Dispositius Hipersustentadors:
o Us dels dispositius hipersustentadors.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30019 Tecnologia Aeroespacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 28/05/08
•
•
•
•
5
o Flaps de caire d’atac.
o Flaps de caire de fuga.
o Slats.
Actuacions dels avions:
o Actuacions dels avions dotats de motor alternatiu.
o Actuacions dels avions dotats de motor a reacció.
Estabilitat dels avions:
o Conceptes preliminars:
ƒ Situació d’equilibri.
ƒ Definició dels eixos de referència.
ƒ Concepte d’Estabilitat Estàtica.
ƒ Concepte d’Estabilitat Dinàmica.
o Separació de moviments.
ƒ Moviment longitudinal.
ƒ Moviment lateral-direccional.
o Estabilitat estàtica.
ƒ Introducció a l’estabilitat estàtica longitudinal.
Actuacions en enlairament i aterratge.
Introducció als criteris de disseny d’avions atenent a especificacions operacionals.
Mòdul 5
Estudi de les aeronaus d’ala rotativa.
•
•
•
(8 hores)
Anatomia i principis bàsics de les aeronaus d’ala rotativa:
o Helicòpters.
o Autogirs.
Aerodinàmica dels helicòpters.
o Teoria de la quantitat de moviment. Aplicació a diferents configuracions de vol:
ƒ Vol estacionari.
ƒ Vol ascendent.
ƒ Vol de translació.
Actuacions dels helicòpters.
o Mètode de l’energia.
ƒ Corba de potència necessària.
ƒ Velocitats característiques.
Mòdul 6
Vehicles Espacials
•
•
•
•
•
(6 hores)
Introducció als vehicles espacials.
Dinàmica orbital.
Tipus de missions.
Subsistemes dels vehicles espacials.
Llançament i seguiment.
Mòdul 7
Sistemes de propulsió
•
•
Introducció a la propulsió.
o Antecedents històrics.
o Generalitats sobre els sistemes de propulsió: Propulsor i propulsant.
Classificació dels sistemes de propulsió i àmbit de cadascun.
(4 hores)
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30019 Tecnologia Aeroespacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 28/05/08
•
6
o Motor alternatiu més hèlix.
o Motors turbohèlix.
o Motors a reacció de flux simple i doble.
o Motors coet.
Propulsió mitjançant hèlix.
o Parts de l’hèlix i classificació.
o Paràmetres de disseny.
o Teoria de la quantitat de moviment aplicada a hèlix.
o Corbes característiques de les hèlix.
o Dispositius auxiliars de les hèlix.
Mòdul 8
Aeroreactors.
•
•
•
•
•
•
(10 hores)
El turboreactor de flux únic.
o Anàlisi descriptiu.
o Paràmetres de disseny i operacionals.
Equació de l’empenta.
Classificació i anàlisi descriptiva de les variants del motor turboreactor de flux únic:
o Turboreactor de doble flux.
o Turboreactor amb sistema de postcombustió.
o Motor turbohèlix.
o Estatoreactor.
Anàlisi prèvia dels requisits operacionals i selecció del tipus de planta motriu.
Anàlisi del cicle termodinàmic del motor turboreactor.
o Estacions del motor a turboreactor.
o Cicle ideal del motor turboreactor de flux únic.
Corbes d’actuacions d’un turboreactor de doble flux modern.
Mòdul 9
Motors alternatius.
•
•
•
•
•
•
Introducció i classificació dels motors alternatius.
o Motor d’encesa per guspira.
o Motor d’encesa per compressió.
Paràmetres de disseny i operacionals.
Estudi termodinàmic del motor alternatiu.
o Cicle ideal del motor alternatiu.
Característiques operacionals i corbes característiques.
o Corbes de potència en funció del règim de gir, per a càrrega màxima.
o Corbes de parell en funció del règim de gir, per a càrrega màxima
Configuracions típiques de motors alternatius per aviació.
Sistemes auxiliars dels motors alternatius per aviació.
(6 hores)
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30019 Tecnologia Aeroespacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 28/05/08
7
Objectius específics dels mòduls
„
Mòdul 0: Introducció a l’assignatura
Objectius de l’alumne:
- Valorar la diversitat de disciplines científico-tècniques que integren l’enginyeria aeroespacial i
l’aeronàutica en particular.
- Destacar la importància que ha tingut la recerca aeroespacial en el desenvolupament de la societat.
„
Mòdul 1: Conceptes fonamentals de mecànica de fluids i aerodinàmica
Objectius de l’alumne:
- Entendre la mecànica de fluids i l’aerodinàmica com a elements fonamentals del vol dels vehicles
atmosfèrics.
- Valorar en quines condicions i de quins factors depèn el que un fluid pugui ser considerat ideal, i
com la hipòtesi de fluid ideal permet simplificar la formulació matemàtica en els càlculs aerodinàmics.
- Identificar les forces de pressió com a responsables de la sustentació aerodinàmica i entendre
aquesta com aplicació particular del Teorema de Bernouilli.
- Analitzar la configuració d’un perfil aerodinàmic en el si d’un corrent d’aire, i analitzar la contribució
de cada factor (espessor, corbesa i angle d’atac) en les propietats aerodinàmiques del perfil.
- Comprendre perquè la viscositat és la principal responsable del despreniment de capa límit i entrada
en pèrdua dels perfils aerodinàmics.
- Identificar la viscositat com a principal responsable de la resistència aerodinàmica de tipus paràsit,
tant de forma directe (fricció) com indirecte (resistència addicional associada al despreniment de capa
límit).
„
Mòdul 2: Anatomia dels avions
Objectius de l’alumne:
- Identificar les principals parts d’un avió i descriure la funció de cadascuna d’elles.
- Associar les diferents configuracions amb els requisits operacionals i prestacions tècniques
preteses.
- Identificar les càrregues que actuen sobre un avió en vol i a terra, i descriure les característiques
estructurals de cada part de l’avió segons les càrregues que han de suportar.
- Comprendre la importància del factor “pes” en el disseny d’estructures aeronàutiques i la necessitat
d’obtenir una adequada resistència estructural amb el menor pes de material possible.
- Comprendre que hi ha una relació de tipus lineal entre esforços i deformacions sempre i quan
aquestes últimes no siguin excessivament grans.
- Identificar la geometria òptima de les peces estructurals d’acord amb les càrregues que han de
suportar.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30019 Tecnologia Aeroespacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 28/05/08
8
- Analitzar els tipus d’esforços que apareixen en una peça a partir de les càrregues que actuen sobre
ella.
- Tenir una visió general dels principals sistemes que integren un avió, i entendre els principis físics
en què es basa el seu funcionament, i la contribució de cadascun d’ells a la seguretat (redundància
de sistemes) i economia de l’operació.
„
Mòdul 3: Instruments de Vol i Sistemes d’Ajuda a la Navegació
Objectius de l’alumne:
- Conèixer la funció de cadascun dels instruments de vol i sistemes d’ajuda a la navegació, i els
principis físics en què es basa el seu funcionament.
- Valorar la precisió dels instruments de vol i dels diferents sistemes per determinar la posició d’acord
amb els requisits que estableix la normativa aeronàutica (RVSM, RNAV, RNP, MNPS).
„
Mòdul 4: Fonament del vol dels avions
Objectius de l’alumne:
- Identificar les principals forces que actuen sobre un avió en vol.
- Comprendre la influència de la forma en planta de l’ala en la sustentació i resistència aerodinàmica
de l’avió.
- Descriure la funció de les superfícies aerodinàmiques i el seu efecte en les actuacions dels avions.
- Analitzar com afecten el pes, la velocitat i l’alçada de vol en les actuacions dels avions, i comprendre
els diferents criteris d’operació segons les necessitats particulars.
- Comprendre com, en l’estudi de l’estabilitat, el moviment de l’avió respecte als seus eixos de
referència es pot separar en simètric i no simètric (respecte el pla de simetria de l’avió).
- Comprendre els conceptes estabilitat estàtica i estabilitat dinàmica, i veure que es contraposen al
concepte de maniobrabilitat.
- Tenir una visió bàsica dels criteris que regeixen el disseny preliminar d’un avió a partir dels requisits
operacionals imposats.
„
Mòdul 5: Estudi de les aeronaus d’ala rotativa
Objectius de l’alumne:
- Identificar els diferents tipus d’aeronaus d’ala rotativa, i descriure les diferències entre elles pel que
fa als principis d’operació.
- Identificar les principals forces que actuen sobre un helicòpter en vol i entendre la doble missió del
rotor (sustentació i propulsió).
- Valorar com varia la potència necessària segons la velocitat de vol.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30019 Tecnologia Aeroespacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 28/05/08
„
9
Mòdul 6: Vehicles espacials
Objectius de l’alumne:
- Entendre que l’equació general que descriu la trajectòria d’un cos o vehicle espacial sotmès
únicament a l’acció gravitatòria d’un altre de massa molt més gran (planeta), és una el·lipse, paràbola
o hipèrbola depenent de l’energia total del vehicle.
- Entendre que la dinàmica dels vehicles espacials que orbiten al voltant d’un planeta obeeix
fonamentalment a les lleis de Kepler.
- Descriure els principals components i sistemes dels vehicles espacials.
- Analitzar les fases de què consta una missió espacial.
„
Mòdul 7: Sistemes de propulsió
Objectius de l’alumne:
- Comprendre els principis físics en què es basa la propulsió dels vehicles aeroespacials.
- Descriure els diferents sistemes de propulsió.
- Identificar el sistema de propulsió més adequat segons les necessitats particulars.
„
Mòdul 8: Aerorreactors
Objectius de l’alumne:
- Entendre que tots els aerorreactors, independentment de la variant i configuració, es basen en el
mateix principi de funcionament.
- Determinar les característiques de l’aeroreactor a partir dels requisits d’actuacions de l’aeronau.
- Identificar els factors que permeten optimitzar paràmetres operacionals segons els requisits
imposats.
„
Mòdul 9: Motors alternatius.
Objectius de l’alumne:
- Comprendre l’àmbit i limitacions del motor alternatiu en aviació.
- Comprendre que el rendiment d’un motor alternatiu està limitat per consideracions termodinàmiques
(2on Principi).
- Identificar els factors i paràmetres de disseny que permeten millorar el rendiment.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30019 Tecnologia Aeroespacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 28/05/08
10
Metodologia de treball
Sessions teoria
Els continguts teòrics es constitueixen el 50% del temps de classe, i seran impartits amb ajuda de
mitjans de projecció visual.
Sessions de pràctiques
La part pràctica de l’assignatura consisteix en la realització d’exercicis pràctics a classe com aplicació
directa dels continguts impartits a les classes de teoria.
De forma addicional, es contempla la possibilitat d’una sortida amb els alumnes a una empresa
rellevant i d’interès especial.
Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant
Mòdul
Mòdul 0: Introducció a l’assignatura
Mòdul 1: Conceptes previs de mecànica de fluids i aerodinàmica
Mòdul 2: Anatomia dels avions
Mòdul 3: Instruments i Sistemes d’Ajuda a la Navegació
Mòdul 4: Fonament del vol dels avions
Mòdul 5: Estudi de les aeronaus d’ala rotativa
Mòdul 6: Vehicles espacials
Mòdul 7: Sistemes de propulsió
Mòdul 8: Aerorreactors
Mòdul 9: Motors alternatius
Total
Temps de
classe
2 hores
10 hores
10 hores
6 hores
22 hores
10 hores
10 hores
4 hores
10 hores
6 hores
90 hores
Temps
d’estudi
2 hores10 hores
10 hores
6 hores
22 hores
10 hores
10 hores
4 hores
10 hores
6 hores
90 hores
Temps
total
4 hores
20 hores
20 hores
12 hores
44 hores
20 hores
20 hores
8 hores
20 hores
12 hores
180 hores
Importància i dificultat dels mòduls
Els requisits de coneixements previs per a la majoria dels mòduls es correspon amb el nivell de les
assignatures rebudes per l’alumne fins el 1er quadrimestre del 2on curs.
Materials
Bibliografia bàsica
Aníbal Isidoro Carmona, “Aerodinámica y Actuaciones del Avión”,
Paraninfo
Holt Ashley, “Engineering Analysis of Flight Vehicles”, Dover Publications Inc.
Bibliografia complementària
John D. Anderson, “Introduction to Flight”, McGraw-Hill
John D. Anderson, “Aircraft Performance and Design”, McGraw-Hill
T. H. G. Megson, “Aircraft Structures for Engineering Students”, Arnold Publishers
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30019 Tecnologia Aeroespacial. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 28/05/08
11
J. Gordon Leishman, “Principles of Helicopter Aerodynamics”, Cambridge University Press
Griffin & French, “Space Vehicle Design”, American Insitute of Aeronautics and Astronautics
Ronald D. Flack,
“Fundamentals of Jet Propulsion with Applications”, Cambridge Aerospace Series
John Heywood,
“Internal Combustion Engine Fundamentals”, McGraw-Hill
Avaluació
L'avaluació de l'assignatura es farà basada en dues proves.
N f = 0,5N1P + 0,5N2p
El significat dels símbols que apareixen en la fórmula anterior són els següents:
Nf : Nota final
N1p : Nota 1r parcial
N2p : Nota 2on parcial