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Optimización del Rango de Crucero de una Aeronave Ligera Propulsada por Hélice Utilizando un Método de Transcripción Directa con un Término de Regularización

Autores: Delgado, Adrián; Rubio, Carlos; Domínguez, Diego; Escapa, Alberto

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2024

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Acceso abierto

Artículo científico
2024

Optimización del Rango de Crucero de una Aeronave Ligera Propulsada por Hélice Utilizando un Método de Transcripción Directa con un Término de Regularización


Categoría

Ingeniería y Tecnología

Subcategoría

Ingeniería Aeroespacial

Palabras clave

Hélice
Aeronave
Control óptimo
Consumo específico de combustible
Eficiencia de la hélice
Velocidad

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 40

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
El problema de maximizar el alcance de una aeronave propulsada por hélice en un vuelo nivelado se analiza dentro del marco del control óptimo. El consumo específico de combustible y la eficiencia de la hélice de su sistema propulsor se caracterizan por funciones de la velocidad y la potencia del motor (modelo completo), en contraste con trabajos anteriores, donde se consideraban constantes. Para llevar a cabo el estudio, se selecciona un Piper Cherokee PA-28 como representante de aeronaves ligeras, definiendo tanto las características del avión como de la misión. También se derivan dos modelos simplificados: el modelo de Von Mises, con consumo específico de combustible y eficiencia de hélice constantes, y el modelo de Parget y Ardema, definido por consumo específico de combustible constante y eficiencia de hélice dependiendo de la velocidad. El problema se resuelve numéricamente mediante un método de transcripción directa. Dado que los problemas óptimos de los modelos de Von Mises y Parget y Ardema son singulares, es necesario incorporar un término de regularización. Tal algoritmo numérico se valida contra la solución analítica dada por la formulación de Breguet. En este contexto, se determinan la velocidad y la masa (variables de estado), el regulador de potencia (control) y el mejor alcance. El modelo completo proporciona un alcance máximo de 1492 km. Las diferencias entre los modelos de Von Mises y Parget y Ardema son de aproximadamente 24 km y 1 km, respectivamente. También se analiza un crucero estable no óptimo, proporcionando una reducción significativa en el tiempo de vuelo, con una disminución de aproximadamente el 2% del alcance. La evolución de las variables de estado y control en el crucero estable, sin embargo, se separa del modelo completo. Por otro lado, el modelo de Parget y Ardema casi reproduce los resultados del modelo completo, llevando a una imagen clara de la física involucrada: el mejor alcance proviene de maximizar el producto de las eficiencias de la hélice y aerodinámicas con respecto a la velocidad, lo que determina el arco óptimo.

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