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LibreTexts Español

7.1.3: Ecuaciones de movimiento de aeronaves

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    87514
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    Movimiento 3D 3

    Bajo Hipótesis 7.1-7.10, las ecuaciones 3DOF que rigen el movimiento de traslación 3D de un avión son las siguientes:

    • 3 ecuaciones dinámicas que relacionan fuerzas con aceleración traslacional.

    • 3 ecuaciones cinemáticas que dan la posición traslacional relativa a un marco de referencia de la Tierra.

    • 1 ecuación que define las características de masa variable del avión versus tiempo.

    La ecuación de movimiento se define por lo tanto por el siguiente sistema de Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (ODE):

    Definición 7.3 (ecuaciones 3DOF de movimiento 3D)

    \[m \dot{V} = T - D - mg \sin \gamma;\]

    \[m V \dot{\chi} \cos \gamma = L \sin \mu;\]

    \[m V \dot{\gamma} = L \cos \mu - mg \cos \gamma;\]

    \[\dot{x}_e = V \cos \gamma \cos \chi + W_x;\]

    \[\dot{y}_e = V \cos \gamma \sin \chi + W_y;\]

    \[\dot{h}_e = V \sin \gamma;\]

    \[\dot{m} = -T \eta.\]

    2022-01-21 10.15.37.png
    Figura 7.2: Fuerzas aéreas.

    Donde en lo anterior:

    • las tres igualaciones dinámicas se expresan en un marco de referencia basado en aeronaves, el sistema de ejes de viento\(F_w (O, x_w, y_w, z_w)\), generalmente\(x_w\) coincidente con el vector de velocidad.
    • las tres ecuaciones cinemáticas se expresan en un marco de referencia basado en tierra, el marco de referencia de la Tierra\(F_e (O_e, x_e, y_e, z_e)\) y generalmente se denominan rango descendente (o longitud), rango cruzado (o latitud) y altitud, respectivamente.
    • \(x_e, y_e\)y\(h_e\) denotan los componentes del centro de gravedad de la aeronave, el vector de radio\(\vec{r}\), expresado en un marco de referencia de la Tierra\(F_e (O_e, x_e, y_e, z_e)\).
    • \(W_x\), y\(W_y\) denotan los componentes del viento,\(\vec{W} = (W_x, W_y, 0)\), expresados en un marco de referencia de la Tierra\(F_e (O_e, x_e, y_e, z_e)\).
    • \(\mu, \chi\), y\(\gamma\) son el ángulo de inclinación, el ángulo de rumbo y el ángulo de trayectoria de vuelo, respectivamente.
    • \(m\)es la masa de la aeronave y\(\eta\) es el consumo específico de combustible.
    • \(g\)es la aceleración debida a la gravedad.
    • \(V\)es la verdadera velocidad del aire de la aeronave.
    • \(T\)es el empuje de los motores, la fuerza generada por los motores de la aeronave. Depende de la altitud\(h\), el número\(M\) de Mach y\(\pi\) el acelerador por una relación supuestamente conocida\(T = T(h, M, \pi)\).
    • lift,\(L = C_L S \hat{q}\), y drag,\(D = C_D S \hat{q}\) son los componentes de la fuerza aerodinámica, donde\(C_L\) está el coeficiente adimensional de elevación y\(C_D\) es el coeficiente adimensional de arrastre,\(\hat{q} = \tfrac{1}{2} \rho V^2\) se conoce como presión dinámica,\(\rho\) es la densidad del aire y\(S\) es el ala húmeda superficie. \(C_L\)es, en general, una función del ángulo de ataque, número de Mach y Reynolds:\(C_L = C_L (\alpha, M, \text{Re})\). \(C_D\)es, en general, una función del coeficiente de elevación:\(C_D = C_D (C_L (\alpha, M, \text{Re}))\).

    Los supuestos adicionales son:

    Hipótesis 7.11 Arrastre parabólico polar

    Se supone un arrastre polar parabólico,\(C_D = C_{D_0} + C_{D_i} C_L^2\).

    Hipótesis 7.12 Modelo de atmósfera estándar

    Una atmósfera estándar se define con\(\Delta_{ISA} = 0\).

    Movimiento vertical

    Considerar la hipótesis adicional para un vuelo simétrico en el plano vertical:

    Hipótesis 7.13 Movimiento vertical
    • \(\chi\)puede considerarse constante.
    • La aeronave realiza un vuelo de ala nivelada, es decir,\(\mu = 0\).
    • No hay acciones fuera del plano vertical, es decir,\(W_y = 0\).
    Definición 7.4 (ecuaciones 3DOF de movimiento vertical)

    Las ecuaciones 3DOF que rigen el movimiento vertical traslacional de un avión vienen dadas por el siguiente sistema ODE:

    \[m \dot{V} = T - D - mg \sin \gamma,\]

    \[m V \dot{\gamma} = L - mg \cos \gamma,\]

    \[\dot{x}_e = V \cos \gamma \cos \chi + W_x,\]

    \[\dot{h}_e = V \sin \gamma,\]

    \[\dot{m} = -T \eta.\]

    Movimiento horizontal

    Considerar la hipótesis adicional para un vuelo simétrico en el plano horizontal:

    Hipótesis 7.14 Movimiento horizontal

    Consideramos vuelo en el plano horizontal, es decir,\(\dot{h}_e = 0\) y\(\gamma = 0\).

    Definición 7.5 (ecuaciones 3DOF de movimiento horizontal)

    Las ecuaciones 3DOF que rigen el movimiento horizontal traslacional de un avión vienen dadas por el siguiente sistema ODE:

    \[m \dot{V} = T - D\]

    \[m V \dot{\chi} = L\sin \mu,\]

    \[0 = V \cos \mu - mg,\]

    \[\dot{x}_e = V \cos \chi + W_x,\]

    \[\dot{y}_e = V \sin \chi + W_y,\]

    \[\dot{m} = -T \eta.\]


    3. Se alienta al lector a leer el Apéndice A para una mejor comprensión.


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