Controles de vuelos cap.-2

Controles de vuelo primarios
Los sistemas de control de vuelo se diseñan cuidadosamente para proporcionar una respuesta adecuada para controlar la energía mientras permite una sensación natural. A bajas velocidades, los controles por lo general se sienten suaves y lentos, y la aeronave responde lentamente a los controles. A velocidades más altas, los controles se hacen cada vez más firmes y la respuesta del avión es más rápida.

El movimiento de cualquiera de las tres superficies principales de control de vuelo (alerones, timón de profundidad o stabilator, o timón de dirección), cambia la distribución del flujo de aire y de la presión sobre y alrededor de la superficie de sustentación (perfil aerodinámico).

Estos cambios afectan a la sustentación y resistencia producida por la combinación perfil/control, y permite al piloto controlar la aeronave sobre sus tres ejes de rotación.

Las características de diseño limitan la cantidad de deflexión de las superficies de control de vuelo. Por ejemplo, mecanismos de control de detención se pueden incorporar en las uniones del control de vuelo, o limitar el movimiento de la palanca de control y/o pedales del timón. El propósito de estos límites de diseño es para evitar que el piloto inadvertidamente controle en exceso y sobrecargue el avión durante maniobras normales.

Un avión bien diseñado es estable y fácil de controlar durante las maniobras normales. Las superficies de control provocan el movimiento sobre los tres ejes de rotación. Los tipos de estabilidad que presenta un avión también se refieren a los tres ejes de rotación.

Alerones
Los alerones controlan el alabeo alrededor del eje longitudinal. Los alerones están unidos al exterior del borde de salida de cada ala y se mueven en la dirección opuesta el uno del otro.

Alerones están conectados por cables, codos, poleas y/o varillas empujadoras a un volante o palanca de control.

Moviendo el volante o palanca de control hacia la derecha hace que el alerón derecho se mueva hacia arriba y el alerón izquierdo se mueva hacia abajo. La deflexión hacia arriba del alerón derecho disminuye la curvatura resultando en una disminución de la sustentación en el ala derecha. La deflexión correspondiente hacia abajo del alerón izquierdo aumenta la curvatura que resulta en aumento de la sustentación en el ala izquierda. Por lo tanto, la mayor sustentación en el ala izquierda y la menor sustentación en el ala derecha hacen que el avión gire a la derecha.

Guiñada adversa
Dado que el alerón desviado hacia abajo produce más sustentación como se evidencia por la elevación del ala, también produce más resistencia. Esta resistencia añadida hace desacelerar ligeramente al ala. Esto resulta en la guiñada (giro) del avión hacia el ala que experimenta un aumento en la sustentación (y resistencia). Desde la perspectiva del piloto, el giro es opuesto a la dirección del alabeo. La guiñada adversa es resultado de la resistencia diferencial y la ligera diferencia en la velocidad de las alas izquierda y derecha.

La guiñada adversa se hace más pronunciada a bajas velocidades. A estas velocidades más bajas la presión aerodinámica en las superficies de control es baja y son requeridos grandes movimientos del control para maniobrar con eficacia el avión. Como resultado, el aumento de la deflexión del alerón provoca un aumento de la guiñada adversa. La guiñada es especialmente evidente en los aviones con gran envergadura.

La aplicación de timón de dirección se utiliza para contrarrestar la guiñada adversa. La cantidad de control del timón requerida es mayor a bajas velocidades, altos ángulos de ataque, y con grandes deflexiones de alerón.

Al igual que todas las superficies de control a bajas velocidades, el estabilizador vertical/timón de dirección se vuelve menos efectivo, y magnifica los problemas de control asociados con la guiñada adversa.

Todos los giros son coordinados por el uso de los alerones, timón, y elevador. La aplicación de presión en el alerón es necesaria para colocar el avión en el ángulo deseado de alabeo, mientras que la aplicación simultánea de presión en el timón es necesaria para contrarrestar la guiñada adversa resultante. Además, dado que se requiere más sustentación durante un giro que en vuelo recto y nivelado, el ángulo de ataque (AOA) debe ser aumentado mediante la aplicación de presión hacia atrás en el elevador. Cuanto más escarpado sea el giro, se necesita más presión en el timón de profundidad.

A medida que el ángulo de alabeo deseado se establece, la presión sobre los alerones y el timón debe ser relajada. Esto detiene el aumento del ángulo de alabeo, porque las superficies de control del alerón y del timón de dirección están en una posición neutral y alineadas.

La presión sobre timón de profundidad debe mantenerse constante para mantener la altitud. La salida del giro es similar a la entrada, excepto que los controles de vuelo se aplican en la dirección opuesta.

Los alerones y el timón se aplican en la dirección de salida o hacia el ala alta. A medida que el ángulo de inclinación disminuye, la presión sobre el elevador debe ser relajada para mantener la altitud.

En un intento para reducir los efectos de la guiñada adversa, los fabricantes han diseñado cuatro sistemas: alerones diferenciales, alerones tipo frise, alerones y timón acoplados, y flaperones.

Alerones diferenciales
Con alerones diferenciales, un alerón se eleva una distancia mayor que lo que se baja el otro alerón para un movimiento dado de la palanca de control. Esto produce un incremento en la resistencia en el ala descendente. La mayor resistencia resulta de desviar el alerón hacia arriba en el ala descendente a un ángulo mayor que el alerón hacia abajo en el ala que sube. A pesar que la guiñada adversa se reduce, no se elimina completamente.

Alerones Tipo Frise
Con un alerón tipo frise, cuando se aplica presión a la palanca de control, el alerón que se eleva pivota sobre una bisagra descentrada. Esto proyecta el borde de ataque del alerón en el flujo de aire y crea resistencia. Esto ayuda a equilibrar la resistencia creada por el alerón bajado en el ala opuesta y reduce la guiñada adversa.

El alerón tipo frise también forma una ranura para que el aire fluya suavemente sobre el alerón bajado, haciéndolo más efectivo a altos ángulos de ataque. Los alerones tipo frise también pueden estar diseñados para funcionar diferencialmente. Al igual que el alerón diferencial, el alerón tipo frise no elimina la guiñada adversa por completo. La aplicación coordinada del timón sigue siendo necesaria siempre que se usen los alerones.

Alerones y timón acoplados
Los alerones y el timón acoplados son controles interconectados. Esto se logra con resortes de interconexión alerones-timón, que ayudan a corregir la resistencia del alerón automáticamente moviendo el timón al mismo tiempo que los alerones son desviados. Por ejemplo, cuando el comando se mueve para producir un alabeo a la izquierda, el cable y el resorte de interconexión tira hacia adelante el pedal izquierdo lo suficiente para impedir que la nariz de la aeronave gire hacia la derecha. La fuerza aplicada al timón por los resortes puede ser anulada si es necesario deslizar la aeronave.

Flaperones
Los flaperones combinan ambos aspectos de flaps y alerones. Además de controlar el ángulo de inclinación lateral de una aeronave como los alerones convencionales, los flaperones se pueden bajar juntos para funcionar como si fuesen flaps dedicados. El piloto mantiene controles separados para alerones y flaps.

Para combinar los requerimientos separados del piloto en este conjunto único de superficie de control llamado flaperón se utiliza un mezclador. Muchos diseños que incorporan flaperones montan las superficies de control separados de las alas para proporcionar un flujo de aire suave a altos ángulos de ataque y/o bajas velocidades.

Timón de profundidad o Elevador
El timón de profundidad o elevador controla el cabeceo sobre el eje lateral. Al igual que los alerones en pequeños aviones, el elevador está conectado a la columna de control en la cabina de mando por una serie de conexiones mecánicas. El movimiento hacia atrás del mando mueve el borde de salida del elevador hacia arriba. Esto generalmente se conoce como “timón arriba”.

La posición timón arriba disminuye la curvatura del elevador y crea una fuerza aerodinámica descendente, que es mayor que la fuerza normal de cola hacia abajo que existe en vuelo recto y nivelado. El efecto global hace que la cola del avión se desplace hacia abajo y la nariz cabecear hacia arriba. El momento de cabeceo se produce alrededor del centro de gravedad (CG). La fuerza del momento de cabeceo está determinada por la distancia entre el CG y la superficie horizontal de cola, así como por la eficacia aerodinámica de la superficie horizontal de cola. Mover la palanca de mando hacia adelante tiene el efecto contrario. En este caso, la curvatura del elevador aumenta, creando más sustentación (menos fuerza cola hacia abajo) sobre el estabilizador horizontal/elevador. Esto mueve la cola hacia arriba y cabecea la nariz hacia abajo. Una vez más, el momento de cabeceo se produce sobre el CG.

Como se mencionó anteriormente al tratar la estabilidad, la potencia, la línea de empuje, y la posición de las superficies horizontales de cola en el empenaje son factores en la eficacia del elevador para controlar el cabeceo. Por ejemplo, las superficies de cola horizontales pueden estar unidas cerca de la parte inferior del estabilizador vertical, en un punto medio, o en posición más alta, como en el diseño de cola en T.

Bibliografía.

U.S. Department of Transportation

Federal Aviation Administration