Diedro (aeronáutica)

Para otros usos, consulte diedro .

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La inclinación hacia arriba de las alas y el plano de cola de un avión, como se ve en este Boeing 737 , se llama ángulo diedro.

Esquema del ángulo diedro y anédrico del ala de un avión

Midiendo el ángulo diedro

En aeronáutica, diedro es el ángulo entre las alas izquierda y derecha (o superficies de cola) de un avión. "Diedro" también se utiliza para describir el efecto del deslizamiento lateral en el balanceo de la aeronave.

El ángulo diedro es el ángulo ascendente desde la horizontal de las alas o el plano de cola de un avión de ala fija . "Ángulo anédrico" es el nombre que se le da al ángulo diedro negativo, es decir, cuando existe un ángulo descendente desde la horizontal de las alas o el plano de cola de un avión de ala fija.

El ángulo diedro tiene una fuerte influencia en el efecto diedro , que lleva su nombre. El efecto diedro es la cantidad de momento de balanceo producido en proporción a la cantidad de deslizamiento lateral . El efecto diedro es un factor crítico en la estabilidad de una aeronave alrededor del eje de balanceo (el modo espiral ). También es pertinente a la naturaleza de la oscilación de balanceo holandesa de un avión y a la maniobrabilidad sobre el eje de balanceo .

El diedro longitudinal es un término relativamente oscuro relacionado con el eje de cabeceo de un avión. Es el ángulo entre el eje de elevación cero del ala y el eje de elevación cero de la cola horizontal. El diedro longitudinal puede influir en la naturaleza de la controlabilidad sobre el eje de cabeceo y en la naturaleza de la oscilación en modo fugoide de una aeronave .

Cuando el término "diedro" (de un avión) se usa por sí mismo, generalmente se pretende que signifique " ángulo diedro ". Sin embargo, el contexto puede indicar de otro modo que " efecto diedro " es el significado pretendido.

Dihedral ángulo vs. diedro efecto

El ángulo diedro es el ángulo hacia arriba desde la horizontal de las alas de un avión de ala fija , o de cualquier superficie emparejada nominalmente horizontal en cualquier avión . El término también se puede aplicar a las alas de un pájaro . El ángulo diedro también se utiliza en algunos tipos de cometas, como las cometas de caja. Se dice que las alas con más de un cambio de ángulo a lo largo de la envergadura son poliédricas .

El ángulo diedro tiene importantes efectos estabilizadores sobre los cuerpos voladores porque tiene una fuerte influencia sobre el efecto diedro.

El efecto diedro ^[1] de una aeronave es un momento de balanceo resultante de que el vehículo tiene un ángulo de deslizamiento lateral distinto de cero . Aumentar el ángulo diedro de un avión aumenta el efecto diedro sobre él. Sin embargo, muchos otros parámetros de la aeronave también tienen una fuerte influencia en el efecto diedro. Algunos de estos factores importantes son: el barrido del ala , el centro de gravedad vertical y la altura y el tamaño de cualquier cosa en un avión que cambie su fuerza hacia los lados a medida que cambia el deslizamiento lateral .

Diedro longitudinal

El ángulo diedro en un avión casi siempre implica el ángulo entre dos superficies emparejadas , una a cada lado del avión . Incluso entonces, casi siempre está entre las alas izquierda y derecha . Sin embargo, matemáticamente diedro significa el ángulo entre dos planos cualesquiera . Entonces, en aeronáutica, en un caso, el término "diedro" se aplica para significar la diferencia de ángulos entre dos superficies de adelante hacia atrás :

El diedro longitudinal es la diferencia entre el ángulo de incidencia de la cuerda de la raíz del ala y el ángulo de incidencia de la cuerda de la raíz de la cola horizontal.

El diedro longitudinal también puede significar el ángulo entre el eje de elevación cero del ala y el eje de elevación cero de la cola horizontal en lugar de entre las cuerdas de la raíz de las dos superficies. Este es el uso más significativo porque las direcciones de elevación cero son pertinentes para el ajuste longitudinal y la estabilidad, mientras que las direcciones de las cuerdas fundamentales no lo son.

Historia

En geometría, el ángulo diedro es el ángulo entre dos planos. El uso de la aviación difiere ligeramente del uso en geometría. En aviación, el uso " di hedral" evolucionó para significar el ángulo positivo hacia arriba entre las alas izquierda y derecha, mientras que el uso con el prefijo "an-" (como en " un hedral") evolucionó para significar el ángulo negativo hacia abajo entre las alas.

Las cualidades estabilizadoras aerodinámicas de un ángulo diedro fueron descritas en un influyente artículo de 1810 de Sir George Cayley . ^[2]

Usos del ángulo diedro y el efecto diedro

Análisis de estabilidad de aeronaves

En el análisis de la estabilidad de la aeronave, el efecto diedro también es una derivada de estabilidad llamada C _{l ${\displaystyle \beta }$}^{[nota 1] que} significa el cambio en el coeficiente del momento de balanceo (el " C _l ") ^{[nota 2]} por grado (o radianes) de cambio en el ángulo de deslizamiento lateral (el " ").${\displaystyle \beta }$

Provisión de estabilidad

El propósito del efecto diedro es contribuir a la estabilidad en el eje del rodillo. Es un factor importante en la estabilidad del modo espiral que a veces se denomina "estabilidad de balanceo". ^{[nota 3]} El efecto diedro no contribuye directamente a restaurar el "nivel de las alas", pero indirectamente ayuda a restaurar el "nivel de las alas" a través de su efecto sobre el modo de movimiento en espiral que se describe a continuación.

Espacio de ala

Los diseñadores de aeronaves pueden aumentar el ángulo diedro para proporcionar un mayor espacio libre entre las puntas de las alas y la pista. Esto es de particular preocupación con los aviones de ala en flecha , cuyas puntas de las alas podrían golpear la pista en rotación / toma de contacto. En aviones militares, el espacio en ángulo diedro puede usarse para montar material y tanques de caída en puntos duros de las alas, especialmente en aviones con alas bajas. El efecto diedro aumentado causado por esta elección de diseño puede necesitar ser compensado, quizás disminuyendo el ángulo diedro en la cola horizontal.

Uso del ángulo diedro para ajustar el efecto diedro

Durante el diseño de un avión de ala fija (o cualquier avión con superficies horizontales), cambiar el ángulo diedro suele ser una forma relativamente sencilla de ajustar el efecto diedro general. Esto es para compensar la influencia de otros elementos de diseño en el efecto diedro. Estos otros elementos (como el barrido del ala, el punto de montaje vertical del ala, etc.) pueden ser más difíciles de cambiar que el ángulo diedro. Como resultado, se pueden encontrar diferentes cantidades de ángulo diedro en diferentes tipos de aviones de ala fija. Por ejemplo, el ángulo diedro suele ser mayor en aviones de ala baja que en aviones de ala alta similares. Esto se debe a que la "altura" de un ala (o la "bajeza" del centro de gravedad vertical en comparación con el ala) crea naturalmente másefecto diedro en sí mismo. Esto hace que se necesite menos ángulo diedro para obtener la cantidad de efecto diedro necesario.

Confusiones comunes

El efecto diedro se define simplemente como el momento de rodadura causado por un deslizamiento lateral y nada más. Los momentos rodantes causados ​​por otras cosas que pueden estar relacionadas con el deslizamiento lateral tienen diferentes nombres.

El efecto diedro no es causado por la velocidad de guiñada ni por la velocidad del cambio de deslizamiento lateral . Dado que los pilotos notan el efecto diedro cuando "se aplica el timón", muchos pilotos y otros expertos cercanos explican que el momento de balanceo es causado por un ala que se mueve más rápidamente en el aire y una ala menos rápidamente. De hecho, estos son efectos reales, pero no son el efecto diedro, que es causado por estar en un ángulo de deslizamiento lateral, no por llegar a uno. Estos otros efectos se denominan "momento de balanceo debido a la velocidad de guiñada" y "momento de balanceo debido a la velocidad de deslizamiento lateral", respectivamente.

El efecto diedro no es la estabilidad del balanceo en sí mismo. La estabilidad de balanceo se denomina menos ambiguamente "estabilidad en modo espiral" y el efecto diedro es un factor que contribuye a ello.

Cómo el ángulo diedro crea un efecto diedro y estabiliza el modo espiral

El ángulo diedro contribuye al efecto diedro total de la aeronave. A su vez, el efecto diedro contribuye a la estabilidad del modo espiral . Un modo en espiral estable hará que la aeronave vuelva eventualmente a un ángulo de inclinación nominal "al nivel de las alas" cuando el ángulo de las alas se altere para perder el nivel. ^{[nota 4]}

Fig.2: El deslizamiento lateral distinto de cero establece el ala inferior, ceñida al viento en un ángulo de ataque más alto, lo que resulta en un momento de balanceo estabilizador P.

Se muestra el avión volando directamente hacia el espectador.

Si una perturbación hace que una aeronave se aleje de su posición normal al nivel de las alas como en la Figura 1, la aeronave comenzará a moverse un poco hacia los lados hacia el ala inferior. ^[3] En la Figura 2, la trayectoria de vuelo del avión ha comenzado a moverse hacia su izquierda mientras el morro del avión sigue apuntando en la dirección original. Esto significa que el aire que se aproxima llega algo por la izquierda de la nariz. El avión ahora tiene un ángulo de deslizamiento lateral además del ángulo de inclinación lateral . La figura 2 muestra el avión tal como se presenta al aire que se aproxima.

Cómo el ángulo diedro crea el momento de rodadura a partir del deslizamiento lateral (efecto diedro)

En la Figura 2, las condiciones de deslizamiento lateral producen un mayor ángulo de ataque en el ala con guiñada hacia adelante y un ángulo de ataque menor en el ala con guiñada hacia atrás. Esta alteración del ángulo de ataque por deslizamiento lateral es visible en la Figura 2. Como un mayor ángulo de ataque produce más sustentación (en el caso habitual, cuando el ala no está cerca de entrar en pérdida), el ala delantera tendrá más sustentación y el alerón trasero tendrá más sustentación. menos elevación. Esta diferencia en la sustentación entre las alas es un momento de balanceo y es causada por el deslizamiento lateral. Es una contribución al efecto diedro total del avión.

Cómo el efecto diedro estabiliza el modo espiral

El momento de balanceo creado por el deslizamiento lateral (etiquetado como "P") tiende a hacer rodar la aeronave de regreso al nivel de las alas. Más efecto diedro intenta hacer rodar las alas en la dirección de "nivelación" con más fuerza, y menos efecto diedro intenta rodar las alas en la dirección de "nivelación" con menos fuerza. El efecto diedro ayuda a estabilizar el modo espiral al tender a rodar las alas hacia el nivel en proporción a la cantidad de deslizamiento lateral que se acumula. Sin embargo, no es el panorama completo. Al mismo tiempo, ese ángulo de deslizamiento lateralse está acumulando, la aleta vertical está tratando de girar el morro hacia el viento, como una veleta, minimizando la cantidad de deslizamiento lateral que puede estar presente. Si no hay deslizamiento lateral, no puede restaurarse el momento de balanceo. Si hay menos deslizamiento lateral, hay menos momento de balanceo restaurador. La estabilidad de guiñada creada por la aleta vertical se opone a la tendencia del efecto diedro a hacer rodar las alas hacia atrás limitando el deslizamiento lateral.

El modo espiral es la tendencia a divergir lentamente o la tendencia a regresar lentamente al nivel de las alas. Si el modo espiral es estable, la aeronave volverá lentamente al nivel de las alas; si es inestable, la aeronave se desviará lentamente del nivel de las alas. El efecto diedro y la estabilidad de guiñada son los dos factores principales que afectan la estabilidad del modo espiral, aunque hay otros factores que lo afectan con menos fuerza.

Otros factores que contribuyen al efecto diedro

El CG de un parapente es muy bajo, lo que contribuye en gran medida al efecto diedro.

Los factores de diseño distintos del ángulo diedro también contribuyen al efecto diedro. Cada uno aumenta o disminuye el efecto diedro total de la aeronave en mayor o menor grado.

Sweepback

El barrido del ala también aumenta el efecto diedro. Esta es una de las razones de la configuración anédrica en aviones con alto ángulo de barrido, así como en algunos aviones de pasajeros, incluso en aviones de ala baja como el Tu-134 y el Tu-154 , con los pequeños biplanos alemanes de 1930-1945 del Bücker Flugzeugbau. , el entrenador de dos asientos Bucker Jungmann y el biplano de competencia acrobático Bücker Jungmeister más famoso , ambos con aproximadamente 11 ° de barrido del ala, lo que le da a ambos diseños un grado de efecto diedro, más allá de la pequeña cantidad de diedro que también presentaban los diseños de ambos biplanos.

Posición vertical del centro de masa

El centro de masa , generalmente llamado centro de gravedad o "CG", es el punto de equilibrio de una aeronave. Si se suspende en este punto y se le permite girar, se equilibrará un cuerpo (avión). La ubicación de adelante hacia atrás del CG es de primordial importancia para la estabilidad general de la aeronave, pero la ubicación vertical también tiene efectos importantes.

La ubicación vertical del CG cambia la cantidad de efecto diedro. A medida que el "CG vertical" se mueve hacia abajo, aumenta el efecto diedro. Esto se debe a que el centro de elevación y arrastre está más arriba del CG y tiene un brazo de momento más largo. Por lo tanto, las mismas fuerzas que cambian a medida que cambia el deslizamiento lateral (principalmente fuerza lateral, pero también elevación y arrastre) producen un momento mayor alrededor del centro de gravedad del avión. Esto a veces se denomina efecto péndulo . ^{[nota 5]}

Un ejemplo extremo del efecto del CG vertical sobre el efecto diedro es un parapente . El efecto diedro creado por el CG vertical muy bajo compensa con creces el efecto diedro negativo creado por el fuerte anédrico ^{[nota 6]} del ala necesariamente fuertemente curvada hacia abajo.

Efectos de demasiado efecto diedro

Un efecto secundario de un efecto diedro excesivo, causado por un ángulo diedro excesivo, entre otras cosas, puede ser el acoplamiento de guiñada y balanceo (una tendencia de un avión al balanceo holandés ). Esto puede ser desagradable de experimentar o, en condiciones extremas, puede provocar la pérdida de control o sobrecargar la aeronave.

Anédrico y poliédrico

Anédrico

Anhedro en las alas y el plano de cola de un RAF Harrier GR7A .

Vista frontal de un Antonov An-124 . Las alas anédricas se ven claramente.

Los aviones de combate militares a menudo tienen un ángulo cercano a cero o incluso anédrico que reduce el efecto diedro y, por lo tanto, reduce la estabilidad del modo espiral. Esto aumenta la maniobrabilidad que es deseable en aviones de combate.

Los ángulos anédricos también se ven en aviones con un ala de montaje alto, como el gran avión de carga Antonov An-124 y Lockheed C-5 Galaxy . En tales diseños, el ala de montaje alto está por encima del centro de gravedad de la aeronave, lo que confiere un efecto diedro adicional debido al efecto péndulo (también llamado efecto de quilla ) y, por lo tanto, a menudo no se requiere un ángulo diedro adicional. Dichos diseños pueden tener un efecto diedro excesivo y, por lo tanto, ser excesivamente estables en el modo espiral, por lo que se agrega un ángulo anédrico en el ala para cancelar parte del efecto diedro para que la aeronave pueda maniobrar más fácilmente.

Poliédrico

Hidroavión Beriev Be-12 con diseño de ala de gaviota. Tenga en cuenta el espacio libre que este diseño le da a las hélices sobre la superficie del agua.

El F4U-1 Corsair aterriza en un portaaviones en 1943. Nótese el diseño del ala de gaviota invertida y los puntales cortos del tren de aterrizaje.

McDonnell Douglas F-4 Phantom II mostrando un ala poliédrica y una cola anédrica.

La mayoría de los aviones se han diseñado con alas planas con diedro simple (o anédrico). Algunos aviones más antiguos, como el Beriev Be-12, fueron diseñados con alas de gaviota dobladas cerca de la raíz. ^{[ cita requerida ]} Otros, como el Vought F4U Corsair , utilizaron un diseño de ala de gaviota invertida, que permitió puntales de aterrizaje más cortos y una distancia al suelo adicional para hélices grandes y cargas útiles externas, como tanques de combustible externos o bombas. Los diseños de alas poliédricas modernas generalmente se doblan hacia arriba cerca de las puntas de las alas (también conocido como diedro de punta ), lo que aumenta el efecto diedro sin aumentar el ángulo que las alas se encuentran en la raíz, que puede estar restringido para cumplir con otros criterios de diseño.

El poliédrico se ve en planeadores y en algunos otros aviones. El McDonnell Douglas F-4 Phantom II es un ejemplo, único entre los aviones de combate por tener puntas de ala diedras. Esto se agregó después de que las pruebas de vuelo del prototipo de alas planas mostraran la necesidad de corregir cierta inestabilidad imprevista del modo espiral: inclinar las puntas de las alas, que ya estaban diseñadas para plegarse para operaciones de portaaviones, era una solución más práctica que rediseñar todo el ala. ^[4]

Referencias

Notas al pie

1. pronuncia "See-ell-beta".
2. Un coeficiente de momento de balanceoes una "normalización" del momento de balanceo. El momento de rodadura tiene unidades de fuerza por longitud. El coeficiente del momento de rodadura está normalizado, por lo que no tiene unidades. Esto se hace dividiendo el momento por el área del ala y por la envergadura del ala y por la presión dinámica .
3. "Roll Stability" es un término ambiguo que requiere contexto para discernir el significado deseado por el usuario. Por lo general, significa "estabilidad en modo espiral", pero a menudo también se usa incorrectamente para referirse a efecto diedro o ángulo diedro, los cuales no son "estabilidad" en sí mismos, aunque contribuyen a la estabilidad del modo espiral.
4. En el modo de espiral, si es inestable, el avión lentamente, luego más rápidamente, divergen de "nominal alas niveladas" si el piloto no hace entradas de control. Si el modo espiral es estable y el piloto no hace ninguna entrada, cuando la aeronave comienza desde una posición inclinada , regresará cerca del nivel de las alas por sí misma.
5. El "efecto péndulo" también se denomina con menos frecuencia "efecto quilla".
6. La curva descendente de un ala de parapente podría denominarse "polianédrico continuo".

Notas

1. Roskam, enero (1979). "4.1.7". Dinámica de vuelo del avión y controles de vuelo automáticos . 1 . Ottawa, Kansas: Roskam Aviation and Engineering Corporation. pag. 139. Número de tarjeta de catálogo de la Biblioteca del Congreso: 78-31382
2. "Esta forma angular, con el vértice hacia abajo, es la base principal de la estabilidad en la navegación aérea ... y esto previene de la manera más eficaz cualquier movimiento de la máquina de lado a lado". George Cayley. Sobre navegación aérea. (Parte II). Revista de Filosofía Natural, Química y Artes. , vol. 25 (febrero de 1810), págs. 81-87. Reimpreso en Gibbs-Smith, Charles H. Sir George Cayley's Aeronautics, 1796-1855 . HMSO . 1962. La página 223 tiene la cita. En línea en la NASA (pdf) Archivado el 11 de mayo de 2013 en la Wayback Machine.
3. Etkin, Bernard; Dinámica de vuelo , Sección 3.10; mil novecientos ochenta y dos; ISBN 0-471-08936-2 
4. Donald, David y Jon Lake, eds. McDonnell F-4 Phantom: Espíritu en los cielos . Londres: AIRtime Publishing, 2002. ISBN 1-880588-31-5 . 

Enlaces externos

• http://www.aeroexperiments.org/washoutbillow.shtml
• Demostración del efecto diedro en Wolfram Demonstrations Project
• Explicación en video en el canal de YouTube de Real Engineering