Estabilizador vertical
Un estabilizador vertical o aleta de cola [1] [2] es la parte estática de la cola vertical de una aeronave . [1] El término se aplica comúnmente al ensamblaje de esta superficie fija y uno o más timones móviles articulados a ella. Su función es proporcionar control, estabilidad y compensación en la guiñada (también conocida como estabilidad direccional o de veleta). Forma parte del empenaje de la aeronave , concretamente de sus estabilizadores .
La cola vertical [3] se monta típicamente en la parte superior del fuselaje trasero, con los estabilizadores horizontales montados en el costado del fuselaje (una configuración denominada "cola convencional"). En su lugar, a veces se utilizan otras configuraciones, como T-tail o twin tail .
Los estabilizadores verticales se han utilizado ocasionalmente en los deportes de motor , por ejemplo en las carreras de Le Mans Prototype .
Función
Principio
La cola vertical de una aeronave normalmente consiste en un estabilizador vertical fijo o una aleta en la que se monta un timón móvil. De manera similar, se puede montar una pestaña de compensación en el timón. Juntos, su función es permitir el trimado en la dirección de guiñada (compensar los momentos de guiñada generados por cualquier asimetría en el empuje o arrastre ), permitir que la aeronave se controle en guiñada (por ejemplo, para iniciar el deslizamiento lateral durante un aterrizaje con viento cruzado ), como así como proporcionar estabilidad en guiñada (veleta o estabilidad direccional). [4]
Cuanto mayor sea su posición lejos del centro de gravedad, más efectiva puede ser la cola vertical. Por lo tanto, los aviones más cortos suelen presentar colas verticales más grandes; por ejemplo, la cola vertical del Airbus A318 corto es más grande que la de sus homólogos más largos de la familia A320 .
La efectividad de la cola vertical depende de su eficiencia y del coeficiente de volumen de la cola vertical [5] (también llamado relación de volumen [6] ), que no dimensionaliza su área y brazo con las dimensiones del ala principal:
(donde los índices vyw representan la cola y el ala verticales respectivamente, S representa el área y L_w es típicamente la cuerda aerodinámica media ). Los valores para el coeficiente de cola vertical varían sólo levemente de un tipo de avión a otro, con valores extremos que van desde 0.02 (planeador) a 0.09 (transporte de aviones a reacción). [5]
La eficiencia de la cola es la relación entre la presión dinámica en la cola y la de la corriente libre. La cola tiene su máxima capacidad cuando se sumerge en la corriente libre con una eficiencia de uno. Cuando se sumerge parcialmente en una estela, su eficacia se reduce porque la estela tiene una presión dinámica más baja que la corriente libre. Es posible que sea necesario aumentar la altura de la aleta para restaurar su efectividad requerida en ciertas condiciones de vuelo. El Panavia Tornado tenía una aleta alta para estabilidad direccional en ángulos de incidencia altos. [7]
Ajuste y control en guiñada
El timón es la superficie de control direccional y generalmente está articulado a la aleta o al estabilizador vertical. Moverlo permite al piloto controlar el desvío sobre el eje vertical, es decir, cambiar la dirección horizontal en la que apunta el morro.
La deflexión máxima del timón generalmente se controla mediante un limitador de recorrido del timón . El ángulo más grande alcanzable de un timón en una condición de vuelo particular se llama límite de purga . Representa un equilibrio entre las fuerzas aerodinámicas sobre el timón y las fuerzas mecánicas del mecanismo de accionamiento. [8]
Los aviones multimotores, especialmente aquellos con motores montados en alas, tienen timones grandes y potentes. Deben proporcionar un control suficiente después de una falla del motor en el despegue con el peso máximo y el límite de viento cruzado [9] y capacidad de viento cruzado en el despegue y aterrizaje normales. [10]
Para el rodaje y durante el inicio del despegue, las aeronaves se dirigen mediante una combinación de entrada del timón y al girar la rueda de morro o la rueda de cola. A velocidades lentas, la rueda de morro o la rueda de cola tiene la mayor autoridad de control, pero a medida que aumenta la velocidad, aumentan los efectos aerodinámicos del timón, lo que hace que el timón sea cada vez más importante para el control de la guiñada. En algunas aeronaves (principalmente aeronaves pequeñas) ambos mecanismos están controlados por los pedales del timón, por lo que no hay diferencia para el piloto. En otras aeronaves hay un timón especial que controla la dirección del volante y los pedales controlan el timón, y una cantidad limitada de dirección del volante (generalmente 5 grados de dirección con rueda de morro). Para estas aeronaves, los pilotos dejan de usar la caña del timón después de alinearse con la pista antes del despegue,y comience a usarlo después del aterrizaje antes de desviar la pista, para evitar corregir demasiado con el timón sensible a altas velocidades. Los pedales también se pueden usar para pequeñas correcciones mientras se rueda en línea recta, o al entrar o salir de una curva, antes de aplicar la barra timón, para mantener la curva suave.[ cita requerida ]
Con los controles en la posición neutra, un avión aún puede inclinarse suavemente hacia un lado. Esto se corrige mediante el ajuste de una superficie de compensación, a menudo una pestaña de compensación separada montada en el timón, pero a veces en el timón mismo, para contrarrestar el desvío y asegurar que el avión vuele en línea recta. [ cita requerida ]
Al cambiar la configuración de una pestaña de compensación, se ajusta la posición neutra o de reposo de una superficie de control (como un elevador o un timón). A medida que cambia la posición deseada de una superficie de control (correspondiente principalmente a diferentes velocidades), una lengüeta de compensación ajustable permitirá al operador reducir la fuerza manual requerida para mantener esa posición, a cero, si se usa correctamente. Por lo tanto, la pestaña de ajuste actúa como una pestaña de servo . Porque el centro de presiónde la pestaña de ajuste está más lejos del eje de rotación de la superficie de control que el centro de presión de la superficie de control, el movimiento generado por la pestaña puede coincidir con el movimiento generado por la superficie de control. La posición de la superficie de control sobre su eje cambiará hasta que el par de la superficie de control y la superficie de corte se equilibren entre sí. [ cita requerida ]
Movimiento causado por el uso del timón
El timón se controla a través de pedales de timón en la parte inferior trasera del yugo en esta foto de la cabina de un Boeing 727.
Timón y lengüeta de compensación en una avioneta
Los timones de agua de este hidroavión Cessna 208 Caravan son las pequeñas superficies verticales en la parte trasera de cada flotador. Su configuración se controla desde la cabina.
Estabilidad de guiñada
La cola vertical juega un papel determinante en la estabilidad de guiñada, proporcionando la mayor parte del momento de restauración requerido alrededor del centro de gravedad cuando la aeronave se desliza. La estabilidad de guiñada se cuantifica típicamente utilizando la derivada del coeficiente de momento con respecto al ángulo de guiñada. [6]
El flujo de aire sobre la cola vertical a menudo está influenciado por el fuselaje, las alas y los motores de la aeronave, tanto en magnitud como en dirección. [6] El ala principal y el estabilizador horizontal, si están muy barridos , pueden contribuir significativamente a la estabilidad de guiñada; las alas barridas hacia atrás tienden a aumentar la estabilidad de guiñada. Sin embargo, el barrido en el ala y la cola horizontal de un avión convencional no afecta el ajuste del avión en la guiñada. [6]
El diedro en el ala principal y la cola horizontal también puede tener un pequeño efecto en la estabilidad estática de guiñada. Este efecto es complejo y se combina con el efecto de barrido y flujo del ala alrededor del fuselaje. [6]
Las hélices , especialmente cuando avanzan de modo que su eje forma un ángulo con la velocidad de la corriente libre , pueden afectar la estabilidad estática de un avión en guiñada. [6]
Acoplamiento con rollo
La cola vertical afecta el comportamiento de la aeronave en movimiento , ya que su centro aerodinámico generalmente se encuentra muy por encima del centro de gravedad de la aeronave. [1] Cuando la aeronave se desliza hacia la derecha, el viento relativo y la fuerza lateral en la cola vertical se traducen en un momento de giro en sentido antihorario. [6]
Vuelo supersónico
En vuelo supersónico, la cola vertical se vuelve progresivamente menos efectiva al aumentar el número de Mach hasta que la pérdida de estabilidad ya no sea aceptable. [11] La estabilidad se reduce porque la sustentación, o fuerza lateral, generada por la cola se reduce con la velocidad para cada grado de ángulo de deslizamiento lateral (pendiente de la curva de sustentación). Esto se debe a una distribución de presión muy diferente, con ondas de choque y ondas de expansión, en comparación con la subsónica. [12] Para lograr la estabilidad requerida a la máxima velocidad operativa de la aeronave, la cola vertical puede agrandarse, como en el F-100 Super Sabre norteamericano (se subestimó el requisito inicial del área de las aletas). Se puede agregar área adicional instalando aletas ventrales (como en versiones posteriores de alta velocidad delVought F-8 Crusader ), o las puntas de las alas plegables (como en el XB-70 Valkyrie norteamericano ). Si una cola más grande no es aceptable, se pueden usar deflexiones automáticas del timón para aumentar la fuerza del lado de la cola y restaurar la estabilidad direccional. Este método se utilizó en el Avro Arrow . [13]
Puesto de la cola vertical
La cola vertical a veces presenta un filete o aleta dorsal en su base delantera, lo que ayuda a aumentar el ángulo de pérdida de la superficie vertical (lo que resulta en una elevación del vórtice) y de esta manera evita un fenómeno llamado bloqueo del timón o inversión del timón. El bloqueo del timón se produce cuando la fuerza sobre un timón desviado (por ejemplo, en un deslizamiento lateral constante ) se invierte repentinamente cuando la cola vertical se detiene. Esto puede dejar el timón atascado en la desviación total con el piloto incapaz de volver a centrarlo. [14] La aleta dorsal se introdujo en la década de 1940, por ejemplo en el Douglas DC-4 de 1942 , anterior a las tracas de ala de los aviones de combate desarrollados en la década de 1970, como el F-16 . [15]
Una aleta dorsal es visible en la base de la cola vertical de este Embraer 195
Consideraciones estructurales
El timón y la aleta de un avión grande o rápido están sujetos a una fuerza considerable que aumenta con la deflexión del timón. Un caso extremo ocurre con una desviación del vuelo controlado, conocido como un vuelco, que en el contexto de la aleta y el timón es un deslizamiento lateral excesivo. Para aviones de transporte grandes, el momento de estabilización necesario para la recuperación proviene de la aleta con pocos requisitos para la deflexión del timón. Estas aeronaves no tienen el requisito de soportar deflexiones del timón casi completas en estas circunstancias [16] porque el peso estructural requerido para evitar fallas estructurales las haría comercialmente inviables. Se produjo la pérdida del conjunto completo de la aleta y el timón en el vuelo 587 de American Airlinescuando los pilotos utilizaron desviaciones completas del timón mientras seguían la estela de un jet muy grande. [17]
La turbulencia del aire despejado causó la falla del conjunto completo de aleta y timón en un Boeing B-52 Stratofortress, después de lo cual los pilotos hicieron un aterrizaje exitoso. Los bombarderos B-52 equipados para ráfagas y cargas de maniobra registraron ráfagas de turbulencia de aire despejado considerablemente más que el límite de diseño con cargas más altas a 34,000 pies. [18]
La falla de la aleta del prototipo English Electric Lightning T4 fue causada por el acoplamiento de rodillos inerciales mientras se realizaban rollos de alta velocidad. La aleta fue agrandada, reforzada y se impusieron limitaciones de velocidad de balanceo. Sin embargo, el primer T5 también tuvo una falla en la aleta mientras realizaba pruebas de balanceo rápido con el paquete de cohetes extendido. [19]
Un rayo perdió su aleta debido a la interacción entre aeronaves muy cercanas a bajo nivel cuando volaba en formación en M 0.97, una rutina de exhibición acrobática. Se impusieron limitaciones, incluida la separación entre aeronaves en formación. [19]
El impacto de las aletas es un problema crítico para los aviones de combate con aletas gemelas o simples porque la vida de fatiga de la estructura de la aleta se reduce por las cargas fluctuantes causadas por los vórtices de ráfaga que inciden en la aleta. La aleta única del Eurofighter Typhoon experimenta cargas de buffet causadas por vórtices de ráfaga que se originan en el canard y los bordes de ataque del ala en ángulos de ataque altos. Los lados del freno de aire montado en la parte superior, cuando se desvían, también arrojan vórtices que chocan, después de estallar, en la aleta. La sacudida del freno de aire extendido es mayor cuando el ángulo de ataque efectivo del freno de aire es mayor, que para un freno de aire completamente extendido es mayor cuando el ángulo de ataque del avión es bajo y es menor cuando se maniobra. [20] El McDonnell Douglas F / A-18 Hornetlas aletas gemelas están sujetas a golpes debido a la ruptura o al estallido del vórtice LEX frente a la cola. [21] La adición de una valla LEX reduce significativamente los golpes y aumenta la vida útil de la aleta. [22]
B-52H (AF Ser. No. 61-0023), instrumentado para medir cargas de ráfagas para investigar fallas estructurales, aún volando después de que su estabilizador vertical se perdió en una turbulencia severa el 10 de enero de 1964. La aeronave aterrizó de manera segura. [23]
F / A-18C que muestra la valla LEX que reduce el impacto de las aletas
Tifón que muestra un freno de aire extendido que causa un importante balanceo de aletas
Configuraciones
Aleta de cola en movimiento
Los aviones con aletas móviles, pero que no entraron en servicio, fueron el F-107 de América del Norte [24] y el BAC TSR-2 [25].
El Lockheed SR-71 Blackbird y el North American X-15 utilizaron talones fijos para las aletas y timones para la altura restante. Los timones convencionales habrían sido inadecuados para el SR-71 porque se habrían requerido deflexiones excesivas para el caso de motor apagado, lo que provocó una resistencia de compensación inaceptable. [26] Las primeras configuraciones presentadas para el X-15 muestran una aleta fija convencional y un timón de arrastre, y una aleta ventral. Esto se cambió a aletas dorsal y ventral, cada una con la mitad exterior actuando como timón. [27]
North American X-15 que muestra timones de cuerda completa en estabilizadores dorsal y ventral fijos
Varias aletas de cola
Los aviones de doble cola tienen dos estabilizadores verticales. Muchos aviones de combate modernos utilizan esta configuración. Los timones gemelos se pueden utilizar en la configuración de cambio descendente para un control longitudinal adicional con convergencia hacia adentro o hacia afuera ( McDonnell Douglas F / A-18 Hornet [28] ). Los timones gemelos también se utilizan como freno de aire, como en el caso del Lockheed Martin F-22 Raptor, que utiliza timón diferencial, junto con otras desviaciones de la superficie de control, para controlar la velocidad, ya que no tiene freno de aire dedicado. [29]
Una cola doble puede ser de cola en H, construcción de timón / aleta gemela unida a un solo fuselaje, como el bombardero medio norteamericano B-25 Mitchell o Avro Lancaster , o de doble brazo donde el fuselaje trasero consta de dos estructuras de brazo separadas cada una con una sola aleta y timón unidos por un estabilizador horizontal, como el transporte North American Rockwell OV-10 Bronco o Armstrong Whitworth AW.660 Argosy
Una variación de la cola gemela, la cola triple tiene tres estabilizadores verticales. El Avro Manchester de la era de la Segunda Guerra Mundial recibió una tercera aleta cuando la aleta gemela original resultó insuficiente. El Lockheed Constellation usó tres aletas para darle al avión el área estabilizadora vertical requerida y al mismo tiempo mantener la altura general lo suficientemente baja como para que pudiera caber en los hangares para su mantenimiento.
Una cola en V no tiene estabilizadores verticales u horizontales distintos. Más bien, se fusionan en superficies de control conocidas como timones que controlan tanto el cabeceo como la guiñada. El arreglo se parece a la letra V, y también se conoce como "cola de mariposa". El Beechcraft Bonanza Model 35 usa esta configuración, al igual que el Lockheed F-117 Nighthawk , Northrop YF-23 .
Aletas en la configuración del empujador de canard Rutan VariEze y Rutan Long-EZ , que actúan como un dispositivo de punta de ala y un estabilizador vertical. Varios otros derivados de estos y otros aviones similares utilizan este elemento de diseño.
Una constelación de Lockheed con una cola triple
La cola en V de una Fouga CM.170 Magister de la Fuerza Aérea Belga
El Caproni Ca.3 tenía doble brazo y triple cola.
Rutan Long-EZ
Cola pivotante
En el Lockheed Jetstar se utiliza un diseño cruciforme inusual . Para el recorte longitudinal, todo el conjunto de la cola gira hacia arriba y hacia abajo 10 grados alrededor de un punto de unión en la parte inferior del larguero trasero de la aleta. [30] [31]
Lockheed Jetstar . La evidencia de su aleta pivotante se puede ver en la línea diagonal debajo del estabilizador horizontal.
Plegable para almacenamiento
La parte superior de la aleta vertical del A-5 Vigilante norteamericano se pliega hacia un lado debido a la restricción de altura de la plataforma del hangar.
Vigilantes norteamericanos A-5 , uno con aleta plegada
Uso automotriz
Se han utilizado dispositivos similares a las colas verticales en automóviles como el Jaguar D-type de 1955 o el Lamborghini Veneno de 2013 . En los autos de carrera, su propósito principal es reducir las explosiones repentinas inducidas por la guiñada a alta velocidad que harían que los autos se volcaran debido a la elevación cuando se someten a ángulos de guiñada extremos durante las curvas o en un trompo. [ cita requerida ] Desde 2011, el estabilizador vertical se ha vuelto obligatorio para todos los prototipos de Le Mans recién homologados . [32]
Algunos equipos de Fórmula 1 utilizaron un estabilizador vertical como una forma de interrumpir el flujo de aire hacia el alerón trasero reduciendo la resistencia, siendo el sistema más radical el "conducto F" que se encuentra en el McLaren MP4-25 y el Ferrari F10 de 2010 . A petición del conductor, este sistema desviaba el aire de un conducto en la parte delantera del automóvil a través de un túnel en la aleta vertical hacia el alerón trasero para detenerlo y reducir la resistencia en las rectas en las que no se necesitaba carga aerodinámica . [ cita requerida ] El sistema fue prohibido para la temporada 2011 de Fórmula 1 . [ cita requerida ]
Ferrari F10 con aleta vertical entre entrada de aire y ala
Referencias
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- Componentes de la cola de la aeronave
