Perfil aerodinámico NACA

La serie de perfiles aerodinámicos NACA es un conjunto de formas estandarizadas desarrolladas por esta agencia, que se popularizaron en el diseño de alas de aeronaves.

La NACA desarrolló inicialmente el sistema de perfiles aerodinámicos numerados, que fue perfeccionado posteriormente por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en el Centro de Investigación Langley . Según el sitio web de la NASA: ^{[ 1 ]}

A finales de la década de 1920 y durante la de 1930, la NACA desarrolló una serie de perfiles aerodinámicos sometidos a rigurosas pruebas y les asignó una designación numérica: un número de cuatro dígitos que representaba las propiedades geométricas críticas de la sección del perfil. En 1929, Langley había perfeccionado este sistema hasta el punto de que la numeración se complementó con una sección transversal del perfil, y el catálogo completo de 78 perfiles apareció en el informe anual de la NACA de 1933. Los ingenieros podían identificar rápidamente las particularidades de cada forma de perfil, y la designación numérica ("NACA 2415", por ejemplo) especificaba las líneas de curvatura, el espesor máximo y las características especiales del morro. Estas cifras y formas transmitían a los ingenieros la información necesaria para seleccionar perfiles específicos que cumplieran con las características de rendimiento deseadas para cada aeronave.

Las secciones de ala de cuatro dígitos NACA definen el perfil mediante: ^{[ 2 ]}

1. Primer dígito que describe la curvatura máxima como porcentaje de la cuerda .
2. El segundo dígito describe la distancia de curvatura máxima desde el borde de ataque del perfil aerodinámico en décimas de la cuerda.
3. Los dos últimos dígitos describen el espesor máximo del perfil aerodinámico como porcentaje de la cuerda. ^{[ 3 ]}

Por ejemplo, el perfil aerodinámico NACA 2412 tiene una curvatura máxima del 2% ubicada al 40% (0,4 cuerdas) del borde de ataque con un espesor máximo del 12% de la cuerda.

El perfil aerodinámico NACA 0015 es simétrico; el 00 indica que no tiene curvatura. El 15 indica que el perfil tiene una relación de espesor a longitud de cuerda del 15%: su espesor es un 15% de su longitud.

El grosor máximo de la serie de cuatro dígitos se sitúa siempre en el 30% de la cuerda.

Ecuación para un perfil aerodinámico NACA simétrico de 4 dígitos

La fórmula para la forma de un perfil NACA 00xx, donde "xx" se reemplaza por el porcentaje de espesor con respecto a la cuerda, es ^{[ 4 ].}

${\displaystyle y_{t}=5t\left[0.2969{\sqrt {x}}-0.1260x-0.3516x^{2}+0.2843x^{3}-0.1015x^{4}\right],}$^{[ 5 ] [ 6 ]}

dónde:

x es la posición a lo largo de la cuerda de 0 a 1,00 (0 a 100%),

${\displaystyle y_{t}}$es la mitad del espesor en un valor dado de x (línea central a superficie),

t es el espesor máximo como fracción de la cuerda (por lo que t da los dos últimos dígitos de la denominación NACA de 4 dígitos divididos por 100).

En esta ecuación, en x = 1 (el borde de salida del perfil aerodinámico), el espesor no es exactamente cero. Si se requiere un borde de salida de espesor cero, por ejemplo para cálculos, se debe modificar uno de los coeficientes de manera que su suma sea cero. Modificar el último coeficiente (es decir, a −0,1036) produce el cambio más pequeño en la forma general del perfil aerodinámico. El borde de ataque se aproxima a un cilindro con un radio normalizado por la cuerda de

${\displaystyle r=1,1019t^{2}.}$^{[ 7 ]}

Ahora las coordenadas${\displaystyle (x_{U},y_{U})}$de la superficie superior del perfil aerodinámico y${\displaystyle (x_{L},y_{L})}$de la superficie inferior del perfil aerodinámico son

${\displaystyle x_{U}=x_{L}=x,\quad y_{U}=+y_{t},\quad y_{L}=-y_{t}.}$

Los perfiles aerodinámicos simétricos de la serie de 4 dígitos tienen, por defecto, un espesor máximo al 30 % de la cuerda desde el borde de ataque.

Ecuación para un perfil aerodinámico NACA de 4 dígitos curvado

Los perfiles asimétricos más simples son los perfiles de la serie NACA de 4 dígitos, que utilizan la misma fórmula que la utilizada para generar los perfiles simétricos 00xx, pero con la línea de curvatura media doblada. La fórmula utilizada para calcular la línea de curvatura media es ^{[ 4 ].}

${\displaystyle y_{c}={\begin{cases}{\dfrac {m}{p^{2}}}\left(2px-x^{2}\right),&0\leq x\leq p,\\{\dfrac {m}{(1-p)^{2}}}\left((1-2p)+2px-x^{2}\right),&p\leq x\leq 1,\end{cases}}}$

dónde

m es la curvatura máxima (100 m es el primero de los cuatro dígitos),

p es la ubicación de la curvatura máxima (10 p es el segundo dígito en la descripción NACA xxxx).

Por ejemplo, un perfil aerodinámico NACA 2412 utiliza una curvatura del 2% (primer dígito) y del 40% (segundo dígito) a lo largo de la cuerda de un perfil aerodinámico simétrico 0012 con un espesor del 12% (dígitos 3 y 4) de la cuerda.

Para este perfil aerodinámico curvado, debido a que el espesor debe aplicarse perpendicularmente a la línea de curvatura, las coordenadas${\displaystyle (x_{U},y_{U})}$y${\displaystyle (x_{L},y_{L})}$, respectivamente de la superficie superior e inferior del perfil aerodinámico, se convierten en ^{[ 8 ] [ 9 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}x_{U}&=x-y_{t}\,\sin \theta ,&y_{U}&=y_{c}+y_{t}\,\cos \theta ,\\x_{L}&=x+y_{t}\,\sin \theta ,&y_{L}&=y_{c}-y_{t}\,\cos \theta ,\end{aligned}}}$

dónde

${\displaystyle \theta =\arctan {\frac {dy_{c}}{dx}},}$

${\displaystyle {\frac {dy_{c}}{dx}}={\begin{cases}{\dfrac {2m}{p^{2}}}\left(p-x\right),&0\leq x\leq p,\\{\dfrac {2m}{(1-p)^{2}}}\left(p-x\right),&p\leq x\leq 1.\end{cases}}}$

La serie NACA de cinco dígitos describe formas de perfiles aerodinámicos más complejas. ^{[ 10 ]} Su formato es LPSTT, donde:

• L: un solo dígito que representa el coeficiente de sustentación óptimo teórico en el ángulo de ataque ideal C _LI = 0,15 L (esto no es lo mismo que el coeficiente de sustentación C _L ),
• P: un solo dígito para la coordenada x del punto de máxima curvatura (máxima curvatura en x = 0,05 P),
• S: un solo dígito que indica si la curvatura es simple (S = 0) o refleja (S = 1),
• TT: el espesor máximo expresado como porcentaje de la cuerda, como en un código de perfil aerodinámico NACA de cuatro dígitos.

Por ejemplo, el perfil NACA 23112 describe un perfil aerodinámico con un coeficiente de sustentación de diseño de 0,3 (0,15 × 2), el punto de curvatura máxima ubicado en el 15 % de la cuerda (5 × 3), curvatura reflex (1) y espesor máximo del 12 % de la longitud de la cuerda (12).

La línea de curvatura para el caso simple (S = 0) se define en dos secciones: ^{[ 11 ]}

${\displaystyle y_{c}={\begin{cases}{\dfrac {k_{1}}{6}}{\big (}x^{3}-3rx^{2}+r^{2}(3-r)x{\big )},&0<x<r,\\{\dfrac {k_{1}r^{3}}{6}}(1-x),&r<x<1,\end{cases}}}$

donde la ubicación en sentido de las cuerdas${\displaystyle x}$y la ordenada${\displaystyle y}$han sido normalizados por la cuerda. La constante${\displaystyle r}$se elige de modo que la curvatura máxima se produzca en${\displaystyle x=p}$; por ejemplo, para la línea de inclinación de 230,${\displaystyle p=0.3/2=0.15}$y${\displaystyle r=0.2025}$. Finalmente, constante${\displaystyle k_{1}}$se determina para dar el coeficiente de elevación deseado. Para un perfil de línea de caída de 230 (los primeros 3 números en la serie de 5 dígitos),${\displaystyle k_{1}=15.957}$se utiliza.

Los perfiles aerodinámicos de series de cuatro y cinco dígitos se pueden modificar con un código de dos dígitos precedido por un guion en la siguiente secuencia:

1. Un dígito que describe el grado de redondez del borde de ataque, donde 0 indica un borde afilado, 6 es igual al perfil aerodinámico original y los valores mayores indican un borde de ataque más redondeado.
2. Un dígito que describe la distancia de máximo espesor desde el borde de ataque en décimas de la cuerda.

Por ejemplo, el NACA 1234-05 es un perfil aerodinámico NACA 1234 con un borde de ataque afilado y un espesor máximo del 50% de la cuerda (0,5 cuerdas) desde el borde de ataque.

Además, para una descripción más precisa del perfil aerodinámico, todos los números pueden presentarse como decimales.

En la década de 1930 se introdujo un nuevo enfoque para el diseño de perfiles aerodinámicos, en el que la forma del perfil se derivaba matemáticamente de las características de sustentación deseadas. Anteriormente, los perfiles aerodinámicos se creaban y luego se medían sus características en un túnel de viento . Los perfiles aerodinámicos de la serie 1 se describen mediante cinco dígitos en la siguiente secuencia:

1. El número "1" indica la serie.
2. Un dígito que describe la distancia del área de presión mínima en décimas de cuerda.
3. Un guion.
4. Un dígito que describe el coeficiente de sustentación en décimas.
5. Dos dígitos que describen el espesor máximo en porcentaje de la cuerda.

Por ejemplo, el perfil aerodinámico NACA 16-123 tiene una presión mínima del 60% de la cuerda hacia atrás, con un coeficiente de sustentación de 0,1 y un espesor máximo del 23% de la cuerda.

Una mejora con respecto a los perfiles aerodinámicos de la serie 1, con énfasis en maximizar el flujo laminar . El perfil aerodinámico se describe utilizando seis dígitos en la siguiente secuencia:

1. El número "6" indica la serie.
2. Un dígito que describe la distancia del área de presión mínima en décimas de la cuerda.
3. El subíndice indica el rango del coeficiente de sustentación, en décimas por encima y por debajo del coeficiente de sustentación de diseño, en el que existen gradientes de presión favorables en ambas superficies.
4. Un guion.
5. Un dígito que describe el coeficiente de sustentación de diseño en décimas.
6. Dos dígitos que describen el espesor máximo como porcentaje de la cuerda.
7. "a=" seguido de un número decimal que describe la fracción de cuerda sobre la cual se mantiene el flujo laminar. a=1 es el valor predeterminado si no se proporciona ningún valor.

Por ejemplo, el perfil NACA 65 ₄ -415 tiene la presión mínima aplicada al 50% de la cuerda, un espesor máximo del 15% de la cuerda, un coeficiente de sustentación de diseño de 0,4 y mantiene un flujo laminar para coeficientes de sustentación entre 0 y 0,8.

Se logró un mayor avance en la maximización del flujo laminar mediante la identificación por separado de las zonas de baja presión en las superficies superior e inferior del perfil aerodinámico. El perfil aerodinámico se describe mediante siete dígitos en la siguiente secuencia:

1. El número "7" indica la serie.
2. Un dígito que describe la distancia del área de presión mínima en la superficie superior en décimas de la cuerda.
3. Un dígito que describe la distancia del área de presión mínima en la superficie inferior en décimas de la cuerda.
4. Una de las letras hace referencia a un perfil estándar de la serie NACA anterior.
5. Un dígito que describe el coeficiente de sustentación en décimas.
6. Dos dígitos que describen el espesor máximo como porcentaje de la cuerda.

Por ejemplo, el perfil NACA 712A315 tiene un área de presión mínima del 10 % de la cuerda en la superficie superior y del 20 % de la cuerda en la superficie inferior, utiliza el perfil estándar "A", tiene un coeficiente de sustentación de 0,3 y un espesor máximo del 15 % de la cuerda.

Perfiles aerodinámicos supercríticos diseñados para maximizar de forma independiente el flujo laminar por encima y por debajo del ala. La numeración es idéntica a la de los perfiles aerodinámicos de la serie 7, salvo que la secuencia comienza con un "8" para identificar la serie.

• Vought V-173
• Cubierta NACA
• conducto NACA

• La base de datos de coordenadas de perfiles aerodinámicos de la UIUC contiene las coordenadas de casi 1600 perfiles aerodinámicos.
• El programa de John Dreese para la generación de coordenadas de perfiles aerodinámicos NACA funciona en Windows XP, 7 y 8.
• Serie de perfiles aerodinámicos NACA
• Artículo sobre perfiles aerodinámicos NACA en el sitio web de la NASA.
• Aplicación web interactiva de perfil aerodinámico
• Guía incompleta para el uso de perfiles aerodinámicos , Universidad de Illinois
• Análisis numérico del perfil aerodinámico NACA 0012 a diferentes ángulos de ataque y obtención de sus coeficientes aerodinámicos.
• Generador de perfiles aerodinámicos NACA de 4 y 5 dígitos, serie 16