Estimación de las derivadas de Estabilidad Lateral

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Estabilidad y Control Detallado
Derivadas Estabilidad Lateral-Direccional
Tema 14.3
Sergio Esteban Roncero
Departamento de Ingeniería Aeroespacial
Y Mecánica de Fluidos
Cálculo de Aeronaves © Sergio Esteban Roncero, [email protected]
1
Derivadas
Sideslip Derivatives
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2
Estimación Derivadas

Contribución




Contribución





Ala: flecha, diedro
Vertical
Fuselaje
Ala: flecha, diedro
Vertical
Canard/horizontal/V-tail
Fuselaje
Contribución



,
Ala: flecha, diedro
Vertical
Fuselaje

Contribución

Contribución
Derivadas en 1/rad si no se indica lo contrario
Si las derivadas no están en 1/rad hay que convertirlas
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3
Estabilidad Direccional
Criterio Estabilidad Direccional
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4
Estabilidad Lateral
Criterio Estabilidad Lateral
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5
Lateral-Directional
Método I
Contribución total
ala
vertical
fuselaje
Wing contribution
AR – alargamiento ala
Λ – flecha ala
aproximación
1/rad
Ref: Smetana
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6
Lateral-Directional
Método I
fuselage contribution
Body Reference Area = fuselage volume
- wing-fuselage interference factor
/
Ref: Smetana
Fig A5
Fig B6
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7
CL,f
Ref: Smetana
Fig A5
El CL del fuselaje se obtiene determinando el punto
del fuselaje donde el flujo deja de ser potencial (x0) el
cual se determina en función de x1 que es el punto del
fuselaje donde la variación del fuselaje alcanza un
Fig A6
mínimo en la variación de área, es decir cuando el
fuselaje deja de aumentar
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8
Fig A5
Ref: Smetana (Fig 6)
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9
Fig A6
Ref: Smetana (Fig 7)
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10
Fig B6
Ref: Smetana (Fig 23)
d = maximum body height at wing-body intersection
= distance from body centerline to quarter-chord point of exposed wing
root chord (positive for the quarter-chord point below the body centerline) ,
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11
Lateral-Directional
Método I
=
Ref: Pamadi
Fig B5
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12
Lateral-Directional
Método Alternativo Cálculo completo
(Smetana)
ala-fuselaje
Ref: Smetana
ala
vertical
Método I
No diedro
ala-vertical
Contribución ala
Fig B15
Fig B14
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13
Fig B14
Hay que convertir a
. Como a
se multiplica por el diedro en grados:
Γ
Γx
tiene unidades
, una vez que
Γ y se corrige a radianes
180
Ref: Smetana
Smetana (Fig 26)
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14
Fig B15
Corrección
en función de la terminación de la punta del ala
Ref: Smetana
Smetana (Fig 25)
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15
Lateral-Directional
Método I
Alternative method
A theoretical study for unswept ,elliptical wings with zero dihedral (NASA TR-1269)
o
– estrechamiento y AR – Alargamiento ala
Contribución vertical
Contribución ubicación ala
Ref: Smetana
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16
Contribución Ala - I
horizontal
ala
vertical
V-tail
Método II
canard
Contribución canard,horizontal y V-tail muy pequeñas → despreciable en 1ª aproximación
Aproximación subsonic speeds
Asegurarse que las unidades finales son 1/rad
is the theoretical wing aspect ratio,
is the average fuselage diameter at the wing root,
is the wing span,
is vertical distance between the fuselage centerline and wing root quarter chord point,
positive if the wing is below the fuselage centerline.
Ref: Pamadi
1/
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1/
17
Contribución Ala - II
Ref: Pamadi
Fig B9
Fig B13
Fig B11
Ref: Pamadi
Fig B10
Fig B12
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18
Fig B9
Seleccionar curvas que más se acerquen
En función de estrechamiento ( ) y
de la flechaΛ /
Derivadas en 1/deg, por lo que hay que convertirlas
Ref: Pamadi
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19
Fig B9 – Cont. I
Ref: Pamadi
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20
Fig B9 – Cont. II
Ref: Pamadi
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21
Fig B9 – Cont. III
Ref: Pamadi
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22
Fig B10
Ref: Pamadi
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23
Fig B11
Ref: Pamadi
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24
Fig B12
Derivadas en 1/deg,
por lo que hay que convertirla
Ref: Pamadi
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25
Fig B13
Seleccionar curvas que más se acerquen
En función de estrechamiento ( ) y
de la flechaΛ /
Derivadas en 1/deg, por lo que hay que convertirlas
Ref: Pamadi
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26
Fig B13 – Cont. I
Ref: Pamadi
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27
Fig B13 – Cont. II
Ref: Pamadi
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28
Fig B13 – Cont. III
Ref: Pamadi
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29
Fig B14
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30
Fig B15
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31
Ref: Pamadi
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32
Contribución Vertical
Método I
Ref: Pamadi
=
Fig B5
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33
Contribución Vertical
Ref: Pamadi
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34
Fig B5
Ref: Pamadi
bv vertical tail span measured up to the fuselage centerline
r1 es average radius of the fuselage sections underneath the vertical tail
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35
Contribución Canard – Horizontal - Vtail
Método I
Contribución horizontal & V-tail (misma ecuación, utilizar proyección horizontal V-tail)
Contribución de estabilizador
horizontal al efecto de diedro
Contribución canard
Contribución del canard
al efecto de diedro
emplear ecuaciones para contribución ala
Ref: Roskam
superficie estabilizador horizontal
superficie canard
superficie alar
envergadura horizontal
envergadura canard
envergadura ala
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36
Contribución Ala (diedro)
Contribución diedro
→Asumir aproximación
Diedro en radianes
→increase in section drag coefficient (2D) per unit increase in angle of attack
desestabilizante
Strip Theory→ignorando los efectos de la resistencia inducida,
el error aumenta a medida que AR se incrementa
dihedral angleΓ is in radians
Ref: Pamadi
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37
Lateral-Directional
Concept of strip theory (Pamadi)
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38
Contribución Ala (flecha)
Método I
1) the sweep-back has a stabilizing effect on static directional stability and
2) the stabilizing effect increases with angle of attack
1
resolver
X
root chord
tip chord
wing span
Λ leading edge
sweept
Ref: Pamadi
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39
Lateral-Directional
Strip theory analysis of win sweep effect (Pamadi)
Ref: Pamadi
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40
Contribución Vertical - I
Contribución vertical
Método I
xcg
Xac,t
=
Fig B5
→Se puede obtener mediante estudio aerodinámica
Ref: Pamadi
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41
Contribución Vertical - II
Fig B5
Ref: Pamadi
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42
Contribución Vertical - III
Pendiente de sustentación se puede obtener
Fig A19
También mediante métodos teóricos
Fig A20
Método válido para cualquier superficie aerodinámica
Se ha de utilizar el effective Aspect Ratio
Ref: Pamadi
,
Fig A21
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43
Contribución Vertical - IV
Ref: Pamadi
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44
Contribución Vertical - V
Fig A19
Ref: Pamadi
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45
Contribución Vertical - VI
Fig A20
Ref: Pamadi
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46
Contribución Vertical - VII
Fig A21
Ref: Pamadi
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47
Contribución Vertical - VIII
Método II
Ref: DARCorp
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48
Contribución Fuselaje - I
Contribución Fuselaje
Fig B3
Método I
Fuselaje (góndola)
profundidad
y anchura
Wf
Df
Método II
Hay que convertir a 1/rad
180
1
Fig B4
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Ref: Pamadi
49
Fig B3
Ref: Pamadi
1) Identificar
2) Para un
3) Para un
determinar
,
4) Para un
5) Para un
,
,
más próximo
determinar
más próximo
determinar
más próximo
,
determinar
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50
Fig B3
Ref: Pamadi
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51
Fig B4
Num Reynolds del fuselaje
Ref: Pamadi
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52
Contribución Fuselaje - II
Método III
B6
Ref: Smetana
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53
Fig B6
d es la distancia desde el morro al Xcg
Ref: Smetana (Fig 27)
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54
Lateral-Directional
For a propeller-driven airplane:
The airplane thrust sideforce-coefficient-due-to-sideslip-derivative is given by:
Para aviones jet
Para aviones con hélice
Aproximación
0
Muy compleja estimación
Aproximación
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0
55
Propulsive Derivatives
For propeller driven airplanes:
The first intermediate calculation parameter is given by
Geometría de la hélice
The propeller blade radius
diameter of prop
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56
Propulsive Derivatives
For propeller driven airplanes:
The second intermediate calculation parameter is obtained from Figure 8.130 in Airplane Design Part VI and
is a function of the number of propeller blades and the nominal propeller blade angle at 75% radius.
Fig A17
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57
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58
Lateral-Directional
For a propeller-driven airplane:
The airplane thrust yawing-moment-coefficient-due-to-sideslip-derivative is given by
Para aviones jet
Para aviones con hélice
Aproximación
Muy compleja estimación
0
Aproximación
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0
59
Lateral-Directional
For a propeller-driven airplane:
The moment arm of the propeller normal force to the airplane center of gravity is given
Para aviones jet
Para aviones con hélice
Aproximación
Muy compleja estimación
0
Aproximación
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0
60
Propulsive Derivatives
For propeller driven airplanes:
The first intermediate calculation parameter is given by
Geometría de la hélice
The propeller blade radius
diameter of prop
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61
Propulsive Derivatives
For propeller driven airplanes:
The second intermediate calculation parameter is obtained from Figure 8.130 in Airplane Design Part VI and
is a function of the number of propeller blades and the nominal propeller blade angle at 75% radius.
Fig A17
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62
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63
Lateral-Directional

Asumir que
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64
Derivadas
Roll Rate Derivatives
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65
Estimación Derivadas

Contribución







Ala: flecha, diedro
Vertical
Contribución



Ala: flecha, diedro
Vertical
Fuselaje
Horizontal/Canard/V-tail
Contribución

Ala: flecha, diedro
Vertical
Fuselaje
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66
Lateral-Directional
Método I
Sólo considera la contribución del ala
Ref: Pamadi
Datos experimentales
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67
Lateral-Directional
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Método I
Ref: Pamadi
Lateral-Directional
Método I
Ref: Pamadi
Datos experimentales
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69
Lateral-Directional
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Método I
Ref: Pamadi
70
Lateral-Directional
Método II
Ref: DarCorp
Método II
Considera la contribución del ala y del vertical
The airplane sideforce-coefficient-due-to-roll-rate derivative is primarily influenced by the vertical tail
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71
Lateral-Directional
Método II
Ref: DarCorp
The roll damping derivative of the wing without dihedral and at zero lift is found from:
The roll damping parameter at zero lift is found from Figure 10.35 in Airplane Design Part VI and is a function
of the wing aspect ratio, the Prandtl-Glauert transformation factor, the sectional lift curve slope obtained
through the Prandtl-Glauert transformation factor, the wing quarter chord sweep angle, and the taper ratio:
→wing aspect ratio.
→Prandtl-Glauert transformation factor.
→ratio of the incompressible sectional lift curve slope of the wing to 2
Λ / →wing quarter chord sweep angle.
→wing taper ratio.
Figs A33
The Prandtl-Glauert transformation factor is defined as
ratio of incompressible sectional lift curve slope with 2
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Aproximación
72
1
Fig A33
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Método II
Ref: DarCorp
73
Fig A33
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Método II
Ref: DarCorp
74
Fig A33
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Método II
Ref: DarCorp
75
Lateral-Directional
Contribución total
ala
horizontal
Ref: Pamadi
V-tail
canard
vertical
Contribución canard,horizontal y V-tail muy pequeñas → despreciable en 1ª aproximación
wing contribution
Strip theory
Aproximación
2
Strip theory ignores the induced drag effects and the mutual interference between
adjacent wing sections → aproximación no válida para AR pequeños
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76
Contribución Ala - I
Ref: Pamadi
Aproximación para AR normales
is the vertical distance between the center of gravity and the wing root chord,
positive for center of gravity above the root chord.
Datos experimentales
Fig A22
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77
Fig A22
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Ref: Pamadi
78
Contribución Ala - II
Aproximación para AR normales
Ref: Pamadi & Roskam
is the wing drag-due-to-lift roll damping parameter.
Δ
Fig. C13
- is the wing lift coefficient without any flap effects.
- is the lift coefficient due to flap deflection.
- is the wing zero-lift drag coefficient.
- is the flap profile and interference drag coefficient.
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79
Fig. C13
Ref: Pamadi & Roskam
drag-due-to-lift roll damping parameter – En función de Λ
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/
80
Contribución Vertical
Ref: Pamadi
Tail contribution
ángulo de ataque de trimado
asumir que el estudio se realiza para
0
is the vertical distance between the aerodynamic center of the vertical tail and
the center of gravity measured perpendicular to the fuselage centerline,
is the corresponding horizontal distance measured parallel to the fuselage
centerline
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81
Contribución (Canard/Horizontal/V-tail)
Método I
Contribución horizontal & V-tail y canard (misma ecuación, utilizar proyección horizontal V-tail)
. .
.
superficie lifting surface
superficie alar
envergadura lifting surface
envergadura ala
Canard
Horizontal
V-tail
El subíndice l.s. se substituye por el de la superficie que se esté evaluando
El valor de
. .
es el que se obtiene para cada una de las distintas superficies
aerodinámicas utilizando las mismas ecuaciones para el cálculo de la contribución del ala
Ref: Roskam
emplear ecuaciones para contribución ala
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82
Contribución Horizontal
Contribución horizontal . . →
Δ
Método I
- is the horizontal tail lift coefficient.
- is the horizontal tail lift coefficient.
- is the horizontal tail zero-lift drag coefficient.
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Ref: Roskam
83
Contribución V-tail
Método I
Contribución V-tail . . →
Δ
- is the V-Tail drag-due-to-lift roll damping parameter.
- is the V-Tail lift coefficient.
- is the V-Tail zero-lift drag coefficient.
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Ref: Roskam
84
Contribución Canard
Contribución Canard . . →
Δ
Método I
- is the canard drag-due-to-lift roll damping parameter.
- is the canard lift coefficient.
- is the canard zero-lift drag coefficient.
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Ref: Roskam
85
Lateral-Directional
Contribución total
wing contribution
Ref: Pamadi
ala
vertical
Strip theory
Aproximación
Strip theory ignores the induced drag effects and the mutual interference between
adjacent wing sections → aproximación no válida para AR pequeños
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86
Contribución Ala - I
wing contribution
Ref: Pamadi
Aproximación más precisa (velocidades subsónicas)
Pendiente de sustentación del ala expuesta
del ala
En 1ª aproximación
Coeficiente de Oswald
(dept. aerodinámica)
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87
Contribución Ala - II
wing contribution
Ref: Pamadi
Aproximación más precisa (velocidades subsónicas)
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88
Contribución Ala - III
Ref: Pamadi
wing contribution
SM (márgen estático)
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89
Contribución Vertical
Ref: Pamadi
Vertical contribution
ángulo de ataque de trimado
asumir que el estudio se realiza para
0
is the vertical distance between the aerodynamic center of the vertical tail and
the center of gravity measured perpendicular to the fuselage centerline,
is the corresponding horizontal distance measured parallel to the fuselage
centerline
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90
Derivadas
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91
Estimación Derivadas

Contribución




Contribución





Ala: flecha, diedro
Vertical
Fuselaje
Ala: flecha, diedro
Vertical
Fuselaje
Horizontal/Canard/V-tail
Contribución



Ala: flecha, diedro
Vertical
Fuselaje
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92
Lateral-Directional
Ref: Pamadi/Roskam
ala
Total contribution
vertical
wing contribution: The wing contribution is normally negligible, as indicated by TN-1669
0.143
0.05
Aproximación alas rectangulares y flecha zero
tail contribution
=
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93
Contribución Ala
Total contribution
Ref: Pamadi/Roskam
ala
vertical
Wing contribution
Aproximación
Strip theory ignores the induced drag effects and the mutual interference between
adjacent wing sections → aproximación no válida para AR pequeños
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94
Contribución Ala
Wing contribution
Ref: DarCorp
Wing twist
ala
diedro
flap
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95
Contribución Ala
The slope of the rolling-moment-due-to-roll-rate at zero-lift
Ref: Pamadi
Fig A23
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96
Fig A23
Ref: Pamadi
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97
Contribución Ala
Ref: DarCorp
The increment in the rolling-moment-coefficient-due-to-yaw-rate due to wing twist is determined from Figure
10.42 in Airplane Design Part VI and is a function of wing aspect ratio and wing taper ratio
Fig A34
The effect of symmetric flap deflection on the rolling-moment-coefficient-due-to-yaw-rate derivative is
obtained from Figure 10.43 in Airplane Design Partt VI and is a function of wing aspect ratio, wing taper
ratio, inboard and outboard flap locations in terms of wing half span, and wing span:
Fig A35
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98
Fig A34
Ref: DarCorp
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99
Fig A35
Ref: DarCorp
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100
Contribución Vertical
Tail contribution
ángulo de ataque de trimado asumir que el estudio se realiza para
0
is the vertical distance between the aerodynamic center of the vertical tail and
the center of gravity measured perpendicular to the fuselage centerline,
is the corresponding horizontal distance measured parallel to the fuselage
centerline
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101
Contribución Ala
Total contribution
Ref: Pamadi/Roskam
ala
vertical
Wing contribution
Aproximación
Strip theory ignores the induced drag effects and the mutual interference between
adjacent wing sections → aproximación no válida para AR pequeños
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102
Contribución Ala - II
Wing contribution
Ref: Pamadi/Roskam
Fig A24
Fig A24
Fig A25
es función del SM
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103
Fig A24
SM (Margen estático) = 0.0
función del SM (Margen estático)
SM (Margen estático) = 0.2
SM (Margen estático) = 0.4
Ref: Pamadi
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104
Cálculo de Aeronaves © Sergio Esteban Roncero, [email protected]
105
Fig A25 - I
SM (Margen estático) = 0
Ref: Pamadi
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106
Fig A25 - I
SM (Margen estático) = 0.2
Ref: Pamadi
Cálculo de Aeronaves © Sergio Esteban Roncero, [email protected]
107
Fig A25 - I
SM (Margen estático) = 0.4
Ref: Pamadi
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108
Contribución Vertical
Tail contribution
Ref: Pamadi/Roskam
per radia
ángulo de ataque de trimado asumir que el estudio se realiza para
0
is the vertical distance between the aerodynamic center of the vertical tail and
the center of gravity measured perpendicular to the fuselage centerline,
is the corresponding horizontal distance measured parallel to the fuselage
centerline
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109
Derivadas
,
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110
Estimación Derivadas

Contribución



Vertical
Contribución

Vertical
Contribución

Vertical
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111
Contribución Vertical
Tail contribution
.
ángulo de ataque de trimado asumir que el estudio se realiza para
0
is the vertical distance between the aerodynamic center of the vertical tail and
the center of gravity measured perpendicular to the fuselage centerline,
is the corresponding horizontal distance measured parallel to the fuselage
centerline
Fig A26
Fig A27
Fig A28
Ref: Pamadi
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112
Fig A26
A – Alargamiento vertical
Λ flecha vertical
Ref: Pamadi
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113
Fig A27
Ref: Pamadi
Cálculo de Aeronaves © Sergio Esteban Roncero, [email protected]
114
Fig A28
Ref: Pamadi
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Contribución Vertical
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ángulo de ataque de trimado asumir que el estudio se realiza para
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is the vertical distance between the aerodynamic center of the vertical tail and
the center of gravity measured perpendicular to the fuselage centerline,
is the corresponding horizontal distance measured parallel to the fuselage
centerline
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Lateral-directional acceleration derivatives
Fig A27
Fig A26
Fig A28
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Bibliografia
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