Estabilidad del avión – Aerodinámica

Estabilidad
La estabilidad es la cualidad inherente de una aeronave para corregir las condiciones que pueden alterar su equilibrio, y regresar o continuar en la trayectoria de vuelo original. Es principalmente una característica del diseño de aeronaves. Las actitudes a las que vuela un avión se ven limitadas por las características aerodinámicas de la aeronave, su sistema de propulsión, y su resistencia estructural. Estas limitaciones indican el máximo rendimiento y maniobrabilidad de la aeronave.

Si la aeronave debe proporcionar la máxima utilidad, debe poderse controlar con seguridad en toda la extensión de estos límites, sin exceder la fuerza del piloto o requerir una habilidad excepcional de vuelo. Si una aeronave debe volar en línea recta y estable a lo largo de cualquier trayectoria de vuelo arbitraria, las fuerzas que actúan sobre ella deben estar en equilibrio estático. La reacción de un cuerpo cuando su equilibrio es alterado se conoce como estabilidad. Los dos tipos de estabilidad son estática y dinámica.

Estabilidad estática
La estabilidad estática se refiere a la tendencia inicial, o la dirección del movimiento, de vuelta al equilibrio. En la aviación, se refiere a la respuesta inicial de la aeronave cuando se cambia un AOA determinado, deslizamiento, o inclinación.
• Estabilidad estática positiva, tendencia inicial de la aeronave a regresar al estado original de equilibrio después de ser perturbado
• Estabilidad estática neutra, tendencia inicial de la aeronave a permanecer en una nueva condición después de haber sido perturbado su equilibrio
• Estabilidad estática negativa, tendencia inicial de la aeronave para continuar alejándose del estado original de equilibrio después de ser perturbado

Estabilidad Dinámica
La estabilidad estática ha sido definida como la tendencia inicial para volver al equilibrio que la
aeronave muestra después de ser perturbada su condición. En ocasiones, la tendencia inicial es
diferente o contraria a la tendencia general, por lo que hay que distinguir entre los dos. La estabilidad dinámica se refiere a la respuesta del avión en el tiempo cuando se les perturba de un AOA dado, deslizamiento, o inclinación. Este tipo de estabilidad también tiene tres subtipos:

• Estabilidad dinámica positiva, en el tiempo, el movimiento de los objetos desplazados disminuye en amplitud y, debido a que es positivo, el objeto desplazado vuelve hacia el estado de equilibrio.
• Estabilidad dinámica neutral, una vez desplazado, el objeto desplazado ni disminuye ni aumenta en amplitud. Un amortiguador usado de auto muestra esta tendencia.
• Estabilidad dinámica negativa, en el tiempo, el movimiento de los objetos desplazados aumenta y se vuelve más divergente.
La estabilidad en un avión afecta de manera significativa a dos áreas:
• Maniobrabilidad: la cualidad de un avión que le permite maniobrar con facilidad y resistir a las
condiciones impuestas por las maniobras. Se rige por el peso de la aeronave, la inercia, el tamaño y la ubicación de los controles de vuelo, resistencia estructural, y el motor. También es una característica de diseño de las aeronaves.
• Controlabilidad, la capacidad de una aeronave para responder al control del piloto, especialmente con respecto a la trayectoria de vuelo y la actitud. Es la cualidad de la respuesta de la aeronave a la aplicación de control del piloto al maniobrar la aeronave, independientemente de sus características de estabilidad.

Estabilidad longitudinal (cabeceo)
En el diseño de un avión, gran cantidad del esfuerzo se gasta en el desarrollo del grado deseado de estabilidad en torno a los tres ejes. Pero la estabilidad longitudinal sobre el eje lateral se considera que es la más afectada por ciertas variables en diferentes condiciones de vuelo.

La estabilidad longitudinal es la cualidad que hace que un avión sea estable alrededor de su eje lateral. Involucra el movimiento de cabeceo cuando la nariz del avión se mueve hacia arriba y hacia abajo durante el vuelo. Un avión longitudinalmente inestable tiene una tendencia a descender o ascender progresivamente en un descenso o ascenso muy pronunciado, o incluso una
pérdida. Por lo tanto, un avión con inestabilidad longitudinal se hace difícil y a veces peligroso para volar.
La estabilidad o inestabilidad estática longitudinal en un avión depende de tres factores:

• 1. Ubicación del ala con respecto al CG
  2. Ubicación de las superficies horizontales de cola con respecto al CG
• 3. Área o tamaño de las superficies de cola

Analizando la estabilidad, hay que recordar que un cuerpo que gira libre siempre gira alrededor de su CG.

Para obtener estabilidad estática longitudinal, la relación de los momentos del ala y la cola deben ser tal que, si los momentos están inicialmente equilibrados y el avión de repente sube la nariz, los momentos de las alas y la cola cambian de modo que la suma de sus fuerzas proporciona un momento de restauración desbalanceado que, a su vez, baja la nariz. Del mismo modo, si la aeronave esta nariz hacia abajo, el cambio resultante en los momentos trae la nariz hacia arriba.

El CL (centro de sustentación) en la mayoría de los perfiles asimétricos tiene una tendencia a mover sus posiciones delanteras y traseras con un cambio en el AOA. El CL tiende a adelantarse con un aumento del AOA y se mueve hacia atrás con una disminución del AOA. Esto significa que cuando el AOA de un perfil aerodinámico se incrementa, el CL, por adelantarse, tiende a levantar el borde de ataque del ala aún más.

Esta tendencia le da al ala una cualidad inherente de inestabilidad. (NOTA: CL también se conoce como el centro de presión CP.)

La figura  muestra una aeronave en vuelo recto y nivelado. La línea CG-CL-T representa el eje
longitudinal del avión desde el CG a un punto T en el estabilizador horizontal.

La mayoría de los aviones están diseñados para que el CL del ala esté por detrás del CG. Esto hace a la aeronave “pesada de nariz” y requiere que haya una ligera fuerza hacia abajo sobre el estabilizador horizontal a fin de equilibrar la aeronave y evitar que la nariz esté continuamente hacia abajo. La compensación para esto es proporcionada mediante el ajuste del
estabilizador horizontal en un AOA ligeramente negativo. La fuerza hacia abajo así producida mantiene la cola abajo, contrarrestando la nariz “pesada”. Es como si la línea CG-CL-T fuera una palanca con una fuerza hacia arriba en CL y dos fuerzas hacia abajo equilibradas entre ellas, una gran fuerza en el CG y la otra, una fuerza mucho menor, en el punto T. Para visualizar mejor este principio de la física: Si una barra de hierro se suspendiera en CL, con un gran peso colgado de ella en CG, se necesitaría una presión descendente en el punto T para mantener la “palanca” en equilibrio.

A pesar de que el estabilizador horizontal puede estar nivelado cuando el avión está en vuelo nivelado, hay una corriente de aire descendente de las alas. Esta corriente descendente golpea la parte superior del estabilizador y produce una presión descendente, que a una cierta velocidad es suficiente para equilibrar la “palanca”. Cuando más rápido está volando el avión, mayor es esta corriente descendente y mayor será la fuerza hacia abajo sobre el estabilizador horizontal (excepto las colas en T).

En aviones con estabilizador horizontal en posición fija, el fabricante establece el estabilizador en un ángulo que proporciona la mejor estabilidad (o equilibrio) durante el vuelo a la velocidad de crucero y ajuste de potencia.

Si la velocidad del avión disminuye, la velocidad del flujo de aire sobre el ala se reduce. Como resultado de esta disminución del flujo de aire sobre el ala, el flujo hacia atrás se reduce, causando una fuerza hacia abajo menor sobre el estabilizador horizontal. A su vez, se acentúa la característica de nariz abajo, causando que la nariz baje aún más.

Esto coloca el avión en actitud de nariz baja, disminuyendo el AOA del ala y la resistencia y permitiendo que la velocidad aumente.

A medida que el avión continúa en la actitud de nariz abajo y su velocidad aumenta, la fuerza hacia abajo sobre el estabilizador horizontal, se incrementa una vez más. En consecuencia, la cola es empujada de nuevo hacia abajo y la nariz sube a una actitud de ascenso.

A medida que este ascenso continúa, la velocidad disminuye de nuevo, haciendo que la fuerza hacia abajo en la cola decrezca hasta que la nariz baja una vez más.

Debido a que el avión es dinámicamente estable, esta vez la nariz no baja en la medida que lo hacía antes. El avión adquiere suficiente velocidad para empezar otro ascenso, pero no tan pronunciado como el anterior.

Después de varias de estas oscilaciones decrecientes, en las que la nariz alternativamente sube y baja, el avión finalmente se estabiliza a una velocidad a la que la fuerza hacia abajo en la cola contrarresta exactamente la tendencia de la aeronave para bajar. Cuando esta condición se alcanza, la aeronave está en vuelo equilibrado una vez más y continúa en vuelo estabilizado siempre y cuando esta actitud y la velocidad no cambien.

Un efecto similar se observa al reducir el acelerador.

La corriente de las alas se reduce y la fuerza en T en la figura de la estabilidad longitudinal, no es suficiente para mantener el estabilizador horizontal hacia abajo. Parece como si la fuerza en T en la palanca permitiera que la fuerza de gravedad tire de la nariz hacia abajo. Esta es una característica deseable porque el avión está de por sí tratando de recuperar la velocidad y restablecer el equilibrio adecuado.

La potencia o el empuje también pueden tener un efecto desestabilizador en el que un aumento de potencia tiende a hacer subir la nariz. El diseñador de aviones puede compensar esto mediante el establecimiento de una “línea de empuje de alta” en el que la línea de empuje pasa por encima del CG.

En este caso, cuando la potencia o el empuje se incrementan se produce un momento para contrarrestar la carga en la cola. Por otro lado, una “línea de empuje baja” tiende a aumentar el efecto de nariz arriba de la superficie horizontal de la cola.

Conclusión: con el CG delante del CL y con una fuerza aerodinámica de cola abajo, la aeronave por lo general trata de volver a una actitud de vuelo seguro.

La siguiente es una simple demostración de estabilidad longitudinal. Compense la aeronave para vuelo nivelado “sin manos” en el control. Entonces, por un momento de al control de un ligero empujón produciendo nariz abajo. Si, en un plazo breve, la nariz se eleva a la posición original y luego se detiene, el avión es estáticamente estable. Por lo general, la nariz pasa la posición original (de vuelo nivelado) y sigue una serie de oscilaciones lentas. Si las oscilaciones cesan gradualmente, el avión tiene una estabilidad positiva; si continúan de forma desigual, el avión tiene una estabilidad neutral; si aumentan, el avión es inestable.

Para saber más:

Estabilidad del avión – Aerodinámica cap-2 (en proceso)

Bibliografía.

U.S. Department of Transportation

Federal Aviation Administration