Carga y centrado del avión capítulo 3

Efecto del peso sobre la estabilidad y controlabilidad
La sobrecarga también afecta la estabilidad. Un avión que es estable y controlable cuando se carga normalmente puede tener características de vuelo muy diferentes cuando se sobrecarga.

Aunque la distribución del peso tiene el efecto más directo sobre esto, de un aumento en el peso bruto del avión se puede esperar que tenga un efecto adverso en la estabilidad, independientemente de la ubicación de CG. La estabilidad de muchas aeronaves certificadas es completamente insatisfactoria si se excede el peso bruto.

Efecto de la distribución de carga
El efecto de la posición del CG en la carga impuesta sobre el ala de un avión en vuelo es importante para el rendimiento en ascenso y crucero. Un avión con carga adelantada es más “pesado” y por lo tanto, más lento que el mismo avión con el CG más atrasado.
La Figura siguiente ilustra por qué esto es cierto.

Con la carga adelantada, se requiere compensación “nariz arriba” en la mayoría de los aviones para mantener vuelo de crucero nivelado. La compensación nariz arriba implica establecer las superficies de cola para producir una mayor fuerza hacia abajo en la parte trasera del fuselaje, que se suma a la carga alar y la sustentación total requerida al ala si se quiere mantener la altura. Esto requiere un mayor AOA del ala, lo que resulta en más resistencia y, a su vez, produce una
mayor velocidad de pérdida.

Con la carga atrasada y compensación “nariz abajo”, las superficies de cola ejercen menos carga, aliviando al ala de esa gran carga alar y sustentación para mantener la altitud. El AOA del ala requerido es menor, por lo que la resistencia es menor, permitiendo una velocidad de crucero más rápida. Teóricamente, una carga neutra en la superficie de la cola en vuelo de crucero produciría el rendimiento general más eficiente y velocidad de crucero más rápida, pero también daría lugar a inestabilidad. Los aviones modernos están diseñados para requerir una carga hacia abajo en la cola para estabilidad y controlabilidad.

Una indicación cero en el compensador no es necesariamente lo mismo que “compensación neutral”, debido a la fuerza ejercida por el flujo descendente de las alas y el fuselaje sobre las superficies de la cola.

Los efectos de la distribución de la carga útil del avión tienen una influencia significativa sobre las
características de vuelo, incluso cuando la carga está dentro de los límites del CG y el peso bruto máximo permitido. Lo importante entre estos efectos son los cambios en controlabilidad, estabilidad y la carga real impuesta al ala.

Por lo general, un avión se hace en menos controlable, especialmente a velocidades de vuelo bajas, a medida que el centro de gravedad se desplaza más hacia atrás.

Una aeronave que se recupera limpiamente de un spin prolongado con el CG en una posición puede fallar por completo en su respuesta a los intentos de recuperación normales cuando el CG se mueve hacia atrás 3 o 5 centímetros.

Es una práctica común para los diseñadores de aviones establecer un límite posterior del CG que está dentro de tres centímetros del máximo que permite la recuperación normal de un solo giro de barrena (spin).

Cuando se certifica una aeronave en la categoría utilitaria para permitir barrenas intencionales, el límite posterior del CG se establece usualmente en un punto varios centímetros por adelante de aquel que permite la certificación en categoría normal.

Otro factor que afecta la controlabilidad, que se ha vuelto más importante en los diseños actuales de aeronaves de gran tamaño, es el efecto de los brazos de momento largos de las posiciones de equipos pesados y de la carga. El mismo avión se puede cargar con el peso bruto máximo dentro de sus límites de CG concentrando el combustible, pasajeros y carga cerca del CG diseñado, o mediante la dispersión del combustible y la carga en tanques de punta alar y contenedores de carga por delante y detrás de la cabina.

Con el mismo peso total y CG, maniobrar la aeronave o mantener vuelo nivelado en aire turbulento requiere la aplicación de mayores fuerzas de control cuando la carga se encuentra dispersa. Los brazos de momento más largos de las posiciones del combustible y la carga deben ser superadas por la acción de las superficies de control. Un avión con los tanques alares o tanques de
punta alar tiende a ser lento en alabeo cuando las situaciones de control son marginales, mientras que uno con contenedores de carga delanteros y traseros tiende a ser menos sensible a los controles del elevador.

El límite posterior del CG está determinado en gran medida por consideraciones de estabilidad. Los
requisitos de aeronavegabilidad originales para un tipo certificado especifican que una aeronave en vuelo a una cierta velocidad amortigüe el desplazamiento vertical de la nariz dentro de un cierto número de oscilaciones.

Un avión con la carga demasiado hacia atrás no puede hacer esto. En cambio, cuando la nariz se eleva momentáneamente, puede alternativamente subir y bajar siendo cada vez más pronunciado con cada oscilación. Esta inestabilidad no sólo es incómoda para los ocupantes, sino que incluso puede resultar peligroso haciendo al avión ingobernable bajo ciertas condiciones.

La recuperación de una pérdida en un avión se vuelve progresivamente más difícil cuando su CG se mueve hacia atrás. Esto es particularmente importante en la recuperación de barrenas, ya que hay un punto en la carga posterior de un avión en el que se desarrolla una barrena “plana”. Una barrena plana es aquella en la que la fuerza centrífuga, actuando un CG situado bien atrás, tira la cola del avión alejándola del eje de la rotación de la barrena, haciendo imposible bajar la nariz y
recuperarse.

Un avión cargado en el límite posterior de su rango permisible de CG reacciona de manera diferente en los giros y las maniobras de pérdida y tiene diferentes características de aterrizaje que cuando se carga cerca del límite delantero.

El límite delantero del CG está determinado por una serie de consideraciones. Como medida de seguridad, se requiere que el dispositivo compensador sea capaz de mantener la aeronave en un planeo normal sin potencia.

Un avión convencional debe ser capaz de un aterrizaje sin potencia a fin de garantizar la velocidad mínima de aterrizaje en emergencias. Un avión con rueda de cola cargado excesivamente de nariz es difícil de rodar, sobre todo con fuertes vientos. Puede capotar fácilmente por el uso de los frenos, y es difícil de aterrizar sin rebotar, ya que tiende a bajar la nariz sobre las ruedas, a medida que desacelera y nivela para el aterrizaje. Pueden ocurrir dificultades de dirección en el suelo con aeronaves con tren triciclo, en particular durante la carrera de aterrizaje y despegue.

• Para resumir los efectos de la distribución de la carga:
  • La posición del CG influye en la sustentación y el AOA del ala, la cantidad y dirección de la fuerza en la cola, y el grado de deflexión necesario de los estabilizadores para suministrar la fuerza de la cola correcta para el equilibrio. Esto último es muy importante debido a su relación con la fuerza de control del elevador.
  • El avión entra en pérdida a una velocidad más alta con una ubicación adelantada del CG. Esto se debe a que el AOA de pérdida es alcanzado a una velocidad mayor debido a la mayor carga alar.
• • Mayores fuerzas de control de elevador existen normalmente con un CG adelantado, debido a la mayor deflexión de estabilizador necesaria para balancear el avión.
  • El avión tiene una velocidad de crucero mayor con una ubicación del CG posterior al reducir la resistencia aerodinámica. La resistencia se reduce debido a un AOA más pequeños y se requiere menos deflexión hacia abajo del estabilizador para soportar el avión y neutralizar la tendencia de nariz abajo.
  • La aeronave se vuelve menos estable cuando el CG se mueve hacia atrás. Esto es porque cuando el CG se mueve hacia atrás provoca un aumento en el AOA. Por lo tanto, la contribución del ala a la estabilidad del avión es ahora menor, mientras que la contribución de la cola sigue siendo la estabilización. Cuando se llega al punto de que se balancea la contribución del ala y la cola, entonces existe estabilidad neutral. Cualquier movimiento del CG aún más atrás resulta en un avión inestable.
  • Una ubicación adelantada del CG aumenta la necesidad de una mayor presión de elevador. El elevador puede no ser capaz de oponerse a cualquier aumento de cabeceo nariz abajo. Un control de elevador adecuado es necesario para controlar la aeronave en todo el rango de velocidades hasta la pérdida.

Para saber más:

Carga y centrado del avión capítulo 1

Carga y centrado del avión capítulo 2

Bibliografía.

U.S. Department of Transportation

Federal Aviation Administration