En aeronáutica, el acoplamiento de inercia , [1] también conocido como acoplamiento de inercia [2] y acoplamiento de balanceo de inercia , [3] es un fenómeno potencialmente catastrófico de vuelo de alta velocidad que causó la pérdida de aeronaves y pilotos antes de que las características de diseño contrarrestaran (por ejemplo, una aleta lo suficientemente grande) se entendieron. Ocurre cuando la inercia de un fuselaje pesado excede la capacidad de las fuerzas y momentos aerodinámicos generados por el ala y el empenaje para estabilizar la aeronave. El problema se hizo evidente cuando se desarrollaron aviones de combate y aviones de investigación conenvergaduras , que tenían una inercia de balanceo relativamente baja , causada por un fuselaje largo y delgado de alta densidad , en comparación con las inercias de cabeceo y guiñada . [4]
El término inercia/acoplamiento inercial que se refiere a la divergencia durante una maniobra de balanceo se ha descrito como engañoso porque el problema completo es uno de acoplamiento tanto aerodinámico como de inercia. [5] Las contribuciones a la maniobra son complejas e incluyen el acoplamiento inercial, el acoplamiento aerodinámico y las relaciones de inercia sobre los tres ejes, todo lo cual ocurre simultáneamente. [6] Sin embargo, el acoplamiento inercial también se ha definido esencialmente como un efecto giroscópico, es decir, una tendencia de un fuselaje, cuando gira rápidamente, a alejarse de la dirección de vuelo y convertirse en un costado del viento, y fue analizado como tal por Phillips. [7] Acoplamiento de rodillos de inerciase ha definido como una divergencia resonante en cabeceo o guiñada cuando la tasa de balanceo es igual a la más baja de las frecuencias naturales de cabeceo o guiñada. [8]
El acoplamiento de inercia tenderá a ocurrir cuando una aeronave con la distribución de peso descrita anteriormente se balancea rápidamente alrededor de un eje que no sea su eje de balanceo. La tendencia puede ser contrarrestada por una serie de estrategias que incluyen el aumento de la estabilidad direccional y la reducción de la velocidad y duración de balanceo permitidos y la limitación del ángulo de ataque para realizar maniobras de balanceo. [9]
La causa del movimiento perturbador puede visualizarse pensando en la masa de la aeronave concentrada en dos lugares, "en forma de mancuerna" en su eje de balanceo, uno frente al centro de gravedad y el otro detrás. La aeronave volará a lo largo de su eje aerodinámico o de viento con la "mancuerna" en algún ángulo de ataque. Rodar sobre el eje aerodinámico tenderá a hacer que las masas "fuera del eje" se muevan hacia afuera. [10]
La tendencia en el diseño de aviones de combate a lo largo de la década de 1950 de envergadura de alas cortas, fuselajes de alta densidad y vuelos a gran altura tendían a aumentar las fuerzas de inercia debidas al balanceo en comparación con las fuerzas de restauración aerodinámica proporcionadas por las estabilidades longitudinales y direccionales. El movimiento de balanceo introduce el acoplamiento entre los movimientos longitudinales y laterales de la aeronave. [11] Aunque un avión a reacción típico tiene la mayor parte de su masa distribuida cerca de su línea central, y las fuerzas aerodinámicas y los momentos en los aviones proporcionan cierta estabilización (de modo que pequeñas fluctuaciones en el control tienden a devolverlo al equilibrio de actitud), es importante para recordar que, de manera realista, los aviones siempre vuelan con una pequeña tasa aleatoria distinta de cero de guiñada y cabeceo.
El acoplamiento de balanceo inercial fue predicho y analizado como un efecto giroscópico en 1948 por William Phillips, quien trabajaba para la NACA . [11] Su análisis es anterior al avión que experimentaría los movimientos violentos que predijo, el avión de investigación de la serie X y el avión de combate de la serie Century a principios de la década de 1950. Antes de este tiempo, los aviones tendían a tener más ancho que largo, y su masa generalmente se distribuía más cerca del centro de masa . Esto fue especialmente cierto para los aviones de hélice, pero también para los primeros aviones de combate. Fue solo cuando la aeronave comenzó a sacrificar el área de superficie aerodinámica para reducir la resistencia y usar relaciones de finura más largas.que redujo la resistencia supersónica, que el efecto se hizo evidente. En estos casos, el fuselaje de la aeronave era generalmente mucho más pesado, lo que permitía que su efecto giroscópico abrumara las pequeñas superficies de control.