ARF


Alejandro Rodríguez Fernández

Ingeniería y Diseño


Diseño y Cálculo de una Avioneta

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Introduction To Aeronautical Engineering

Curso de introducción a la Ingeniería Aeronáutica de 84 horas de duración, impartido por Deltf University of Technology a través de la plataforma edX.

Modalidad y desarrollo del curso



Introduction To Aeronautical Engineering
es uno de los mejores cursos que he realizado en la plataforma de cursos online edX.org. El curso constó de siete módulos divididos en varios capítulos que se impartieron en modalidad online a lo largo de varios meses, en un total de 84 horas de duración.

No es un curso sencillo. Tampoco resulta excesivamente complicado si tienes una formación técnica, aunque sí algo laborioso. El curso está muy bien impartido por cuatro profesores de Deltf University of Technology, una de las más importantes universidades técnicas de Holanda. Es un nivel introductorio, pero bastante profundo. La curva de aprendizaje es perfecta, por ello aunque el curso profundiza bastante y toca áreas relativamente complicadas como perfiles alares, flujos viscosos, capas límites y muchos otros temas de Termodinámica, Estructuras o Mecánica de Fluidos, lo hace de modo progresivo y después de buenas y detalladas explicaciones. Tener conocimientos en estas áreas facilitará la asimilación de los conceptos importantes del curso, pero no resulta imprescindible. Sí es necesario un nivel por lo menos medio de inglés para poder seguir los vídeos y responder a las preguntas de los exámenes.

El modo de aprendizaje constó de vídeos a través de los cuales el alumno tomaba sus apuntes para luego responder a preguntas tipo test -muchas veces de respuesta múltiple- o problemas en los que había que introducir el resultado, numérico o en forma de ecuación después de un desarrollo matemático. Además de los exámenes que había que realizar después de cada vídeo, el curso constaba de 3 exámenes intermedios de mayor dificultad y que pesaban más a la hora de sumar puntos para la certificación y el diploma del curso.

El curso permanece -al menos por el momento- en modo Self-Paced, así que puede realizarse todavía. Lo recomiendo especialmente a estudiantes de ingeniería o alumnos que estén acostumbrados a resolver problemas de física, termodinámica y mecánica de fluidos. A este nivel, el curso no resulta complicado y se adquieren muchos conocimientos. De todos modos, una formación técnica no es una condición necesaria, ya que con un poco de dedicación y ganas de aprender es factible aprobarlo.

Por otro lado, y aunque la aeronáutica no sea tu campo de trabajo o estudio, el curso resulta igualmente interesante. Os recuerdo que ecuaciones y fundamentos para el diseño de los perfiles alares de un avión se emplean también para el cálculo de las aspas de los molinos eólicos. El tema dedicado al sistema de propulsión por hélices también resulta interesante para este campo. Otros conceptos aerodinámicos del curso pueden resultar interesantes en el sector automovilístico...

Al finalizar el curso, el alumno tendrá una visión general de la aeronáutica, del comportamiento de un avión, de su instrumentación, de cómo se diseñan los aviones... Obviamente, no será un experto, pero sí es un buen punto de partida para luego profundizar en cada uno de los campos que componen la Ingeniería Aeronáutica.

Un curso muy recomendable.

Temario del curso

Ballooning, The Atmosphere, How aircraft fly

Navigation, Structures, Stability

Propulsion, Materials, Special Vehicles

Basic Aerodynamics, Compressibility and Viscous Flows

Airfoils and Wings

Flight Mechanics and Hortizontal Flight

Climbing, Descending and The Flight Envelope
Enlace al curso EdX - TU Delft
Introduction To Aeronautical Engineering

Delft University of Technology

TU Delft logo
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Descripción del Temario del Curso


Balloning, The Atmosphere, How Aircraft Fly



El primer capítulo del curso empieza con una introducción a la aeronáutica, nos descubre los primeros aviones y, sobre todo, calculamos globos aerostáticos. En este primer tema se describió el comportamiento en el aire de los aviones y los globos aerostáticos y se calcularon las primeras ecuaciones: fundamentalmente, la ecuación de estado de los gases ideales. dimos el Principio de Arquímedes. Y el sumatorio de fuerzas y las ecuaciones para el cálculo de globos de aire caliente, globos con distintos gases...

En el segundo tema definimos la atmósfera terrestre y sus capas, y aprendimos a calcular la presión, temperatura y densidad del aire en función de la altura dentro de la atmósfera, a través de la ecuación de estado y de la ecuación fundamental de la hidrostática. Dimos el Perfil de temperaturas ISA (Atmósfera Estándar Internacional), y el sistema de altitudes: Altitud Geopotencial y Geométrica, y su relación.

Una vez definida la atmósfera, para cerrar el primer capítulo entramos más de lleno en el vuelo. Y profundizamos en los cálculos: definición y ecuaciones de las fuerzas sobre un avión en equilibrio: sustentación, peso, resistencia y empuje. Conocimos el perfil alar y su nomenclatura NACA, las ecuación de la sustentación, el coeficiente de sustentación, el ángulo de ataque y la nomenclatura del perfil alar. Pero para entender cómo vuela un avión, necesitábamos conocer más cosas. El Principio de Bernoulli es fundamental. También entramos en la distribución de presiones y el cálculo de la velocidad del aire. Representamos y vimos las gráficas del coeficiente de sustentación en función del ángulo de ataque, su variación al variar flats y slats... Geometría de las alas y sus coeficientes. Ecuación de la resistencia y el coeficiente de resistencia. Origen de las resistencias. Empuje y peso. Tipos de motores... En definitiva, la explicación del porqué y cómo vuela un avión y el cálculo de los parámetros alares necesarios para surcar los cielos.

Navigation, Structures, Stability



El segundo capítulo empezó describiendo los paneles de vuelo y navegación de un avión: sistemas, displeys, instrumentos de navegación... Luego conocimos la definición y el modo de calcular el Mach Number. Airspeed Vs Ground Speed. Medida de la velocidad del aire con los tubos de Pitot. Cálculo de la presión dinámica. El Norte magnético.

En el segundo tema entramos de lleno en la estructura del avión. Evolución histórica de los fuselajes. Materiales empleados. Elementos estructurales. Estructuras modernas. Diagrama de cargas. Fatiga. Cabina presurizada. Cálculos de tensión.

Para cerrar este segundo capítulo, retomamos los controles del avión, pero ahora fijándonos en la estabilidad. Controles, giros y rotaciones de un avión. Ángulos y ejes. Cálculo de momentos, centro aerodinámico, centro de masas. Coeficientes aerodinámicos. Parámetros de diseño. Estabilidad estática y estabilidad dinámica. Oscilaciones longitudinales y laterales de la nave... Principalmente, calculamos las ecuaciones según los momentos que intervienen.


Propulsion, Materials, Special Vehicles



El tercer capítulo se centró más en la parte mecánica del avión. Empezamos con el sistema de propulsión. Cálculo del empuje. Tipos de motores. Ciclo de combustión. Motores de hélice y cálculos: trabajo, potencia disponible, eficiencia del propulsor... Jet Engines y su cálculo. Después pasamos a los materiales y los límites de velocidad que imponen. Propiedades de las aleaciones más comunes, tensiones y límites de elasticidad. Triángulo diseño-material-técnicas de producción. Metales Vs Composites. Los límites de la velocidad: vuelo hipersónico y materiales y propiedades para altas temperaturas. Vehículos especiales y explicación de sus formas de vuelo: vehículos de efecto suelo, helicópteros, vehículos exóticos y tendencia actual y futura.

Basic Aerodynamics, Compressibility and Viscous Flows



Quizás el capítulo más técnico y difícil. En esta parte estudiamos los fundamentos de la aeronáutica: derivación de las ecuaciones fundamentales (ecuación de Euler y Principio de Bernoulli), flujos viscosos (flujo laminar y turbulento, transición y separación). Distribución de presión en Airfoils (perfiles alares), coeficiente de diseño de sustentación, Mach crítico. Resistencias inducidas en las alas. Lift curve slope. Compresibilidad. Primera ley de la termodinámica, entalpía, calor específico. Ecuaciones generales para un gas perfecto. Flujos isoentrópicos. Relaciones y ecuación de la energía. Ecuaciones para flujos incompresibles, sin fricción y ecuaciones para flujos compresibles y procesos isoentrópicos. La velocidad del sonido. Ecuación de continuidad. Segunda forma de las relaciones isoentrópicas. Toberas supersónicas y túneles de viento supersónicos. Diseño de un túnel de viento supersónico. A rocket engine. Flujo másico en la tobera de un cohete... Sí, un tema que es necesario seguir con atención.

La segunda parte se centra en los flujos viscosos. Concepto de capa límite. Paradoja de d'Alembert, ecuaciones de Navier-Stokes y su importancia en los programas CFD (Computacional Fluid Dynamics). Número de Reynolds y transición entre flujo laminar y turbulento. Contribución de Prandtl a la teoría del fujo supersónico y turbulento. Capas límite y ley de Bernoulli. Esfuerzos de cizalla. Espesor de la capa límite. Skin friction drag and coefficient. Capa límite turbulenta. Transición entre flujo laminar y turbulento. Un capítulo muy importante del curso.


Airfoils and Wings



En este capítulo llevamos a la superficie alar y a las alas los conceptos aprendidos en el tema anterior. Dimos la distribución de presiones, el coeficiente de presión, el stagnation point. Aplicación del Principio de Bernoulli en los perfiles alares. Separación de flujo. Cálculo de perfiles alares, coeficientes y características de los perfiles. Distribución de presiones y corrección de compresibilidad. Regla de Prandtl-Glauert. Una parte más práctica para entender cómo es la transición del túnel de viento a la vida real. Mach crítico y perfiles supercríticos. Tipos de alas. Drag divergence, finite wings, induced drag. Vórtices...

Flight Mechanics and Horizontal Flight



Una vez calculados los perfiles, y las fuerzas que intervienen llegó el momento de entrar en las ecuaciones del movimiento. Otro capítulo bastante complicado, pero muy bien expuesto. Empezamos por definir el diagrama de cuerpo libre. Definimos la gravedad y la aceleración de la gravedad respecto la curvatura terrestre. Sumatorio de fuerzas para obtener las ecuaciones del movimiento y sus simplificaciones según el tipo de movimiento que esté realizando el avión. Calculamos las variables aerodinámicas: independientes, de estado, y otras como avance, sustentación, peso... Lift-drag polar y total drag polar. Aspect Ratio y Span Efficiency. Luego definimos el sistema de propulsión y calculamos el avance y los rendimientos del propulsor.

En la primera parte del capítulo obtuvimos las ecuaciones del movimiento. Ahora las aplicamos al vuelo horizontal. Obtenemos la velocidad máxima y mínima, calculamos los coeficientes de sustentación para rango máximo y máxima endurance. Dibujamos las curvas de fuerza y potencia disponible y necesaria en función de la velocidad del aire. Estabilidad e inestabilidad de la velocidad. En definitiva calculamos el movimiento horizontal del avión y sus coeficientes óptimos.

Climbing, Descending and The Flight Envelope



Si en el capítulo anterior empleábamos la ecuación del movimiento para el vuelo horizontal, ahora la emplearemos para el despegue y el aterrizaje. Calculamos el ángulo máximo de despegue y obtenemos el coeficiente de sustentación y la velocidad óptima. Luego calculamos el mínimo ángulo de descenso. Calculamos el ROC (rate of climb o rate of descend). Tuvimos en cuenta el efecto de la densidad del aire.

El último tema del curso complica un poco más la parte anterior, al tener en cuenta el efecto de la altitud en el funcionamiento del avión. Seguimos profundizando en el diagrama de funcionamiento y sus puntos para máxima endurance, rate of climb... Diagrama de límites de funcionamiento. Máxima altitud. Límites operacionales. Factor de carga para maniobras. Envolvente de vuelo para maniobras. Diving Dive Speed.

En fin, esto es un resumen de los que encontrareis en este curso.



Conclusión

Introduction To Aeronautical Engineering es un curso muy completo. Como hemos visto en el desarrollo del temario, toca temas complejos, pero es necesario decir que los vídeos explican muy bien los conceptos y nos dan las herramientas necesarias para resolver los ejercicios que propone el curso. Es un curso laborioso. Para superar el curso es necesario tomar apuntes. Mientras veía los vídeos, superé los 100 folios, entre apuntes y resolución de ejercicios, y unas 500 fotografías a los diagramas de los vídeos. El premio -además del diploma del Deltf- es conseguir una visión general de lo que es la ingeniería aeronáutica y entender cómo vuela y se diseña un avión, y conocer las ecuaciones que rigen el movimiento y las maniobras. Como ya he comentado anteriormente, no sólo es válido para ingenieros aeronáuticos, cualquier ingeniero encontrará conceptos útiles en termodinámica, propulsión... extrapolables a otras partes de la ingeniería. El primer campo relacionado que se me ocurre es el cálculo de las aspas de los eólicos. En mi opinión, son unas 80 horas en las que la relación esfuerzo - conocimientos adquiridos merece mucho la pena.
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