Aerodinámica

Superficies de Control de Vuelo

Tras la invención de un dispositivo capaz de vencer la gravedad y permanecer en vuelo por algun corto tiempo, el siguiente desafío fué hacer que este dispositivo pudiese permanecer en el aire por tiempos más prolongados y sobre todo, bajo control total del piloto al mando, de tal forma que este respondiera a sus órdenes y de esta manera poder comandar las distintas maniobras a realizar.

Uno de los primeros acercamientos a este concepto lo tuvieron los hermanos Wright, que incorporaron un timón de profundidad a su prototipo, un timón de dirección y a su vez un sistema de torsión de las alas que producía el alabeo necesario para realizar virajes.

Superficies Aerodinámicas

Dependiendo de la funcion que cumplan las distintas superficies aerodinámicas, se catalogan como Primarias a aquellas que proporcionan control del avión, y Secundarias a las que modifican la sustentación.

Las superficies de mando y control, modifican la estructura del avión, variando su aerodinámica y provocando consigo un desequilibrio de fuerzas en que una o más de ellas cambian su magnitud para provocar un efecto deseado. Este desequilibrio hace que el avión actúe sobre alguno de sus ejes, provocando alteraciones en la sustentación o la resistencia.

Ejes del avión

Se trata de vectores imaginarios trazados sobre el centro de gravedad del avión, su nombre y los movimientos que se realizan sobre ellos son los siguientes.

Eje longitudinal.

Es el eje imaginario que va desde la nariz hasta la cola del avión. El movimiento sobre este eje se denomina «alabeo» (En inglés Roll).

Eje transversal.

Ele que va desde el extremo de un ala al extremo de la otra. El movimiento sobre este eje se denomina «cabeceo» (En Inglés «Pitch«).

Eje vertical.

Es el eje que atraviesa el centro del avión. El movimiento sobre este eje se denomina «guiñada» (En inglés «Yaw«).

En un eje de coordenadas, el eje de alabeo sería el «Eje X», el eje de cabeceo sería el «Eje Y», y el eje de guiñada sería el «Eje Z». El punto donde se originan los 3 ejes, es el centro de gravedad del avión.

Los movimientos se realizan sobre uno o más de estos ejes a la vez, en función de la acción del piloto sobre los mandos de control, acción que da lugar al movimiento de las superficies primarias o de control de vuelo.

Superficies Primarias

Son superficies aerodinámicas que responden a una acción del piloto a través de los mandos de la cabina, modificando su forma y consigo su respuesta aerodinámica, lo que provoca el movimiento del avión sobre sus ejes y por consiguiente el seguimiento de una trayectoria de vuelo deseada.

Las superficies de control son tres:

  • Alerón
  • Elevador o Estabilizador Horizontal
  • Timón Direccional o Estabilizador Vertical

El movimiento entorno de cada eje se controla mediante una de estas tres superficies.

Alerón.

Son superficies móviles, situadas en la parte posterior del extremo de cada ala y que se mueven en direcciones opuestas una de la otra. Su accionamiento provoca el movimiento de alabeo (roll) del avión sobre su eje longitudinal. Su ubicación en el extremo del ala se debe a que en esa parte es mayor la fuera ejercida por acción del brazo que compone la fuerza (torque). El movimiento de estas superficies es limitado  relativamente corto, del orden de 20 a 25 grados arriba y unos 12 a 15 grados hacia abajo.

Los alerones tienen un movimiento asimétrico, muy relevante de tener conciencia de el a la hora de realizar la prueba de controles de vuelo previo al despegue. Al accionar los controles de vuelo hacia un lado, el alerón del ala de ese lado debe subir, y el del ala contraria debe bajar, ambos en un angulo de deflexión proporcional a la cantidad de giro dado en el control de vuelo. El concepto detrás de este efecto es el siguiente: El alerón arriba en el ala hacia donde se mueve el control de vuelo, implica menor curvatura en esa parte del ala, y por tanto menor sustentación, lo cual provoca que esa ala baje. El Alerón abajo en el ala contraria, genera mayor curvatura y sustentación lo que hace que esta ala suba. Esta combinación de efectos contrarios es lo que produce el movimiento de alabeo hacia el ala que desciende y con ello el viraje del avión hacia ese lado.

De la misma forma que se produce una diferencia de sustentación en las alas, también se genera en ella una resistencia diferencial, que da lugar al fenómeno conocido como guiñada adversa, en que el ala que genera mayor sustentación genera también mayor resistencia provocando una guiñada inducida hacia el lado contrario del sentido del viraje.

Elevadores o Estabilizador Horizontal

Es la superficie móvil situada en la parte posterior del empenaje o cola del avión. Su accionamiento provoca el movimiento de cabeceo (pitch) del avión sobre su eje transversal. Este movimiento provoca la modificación del ángulo de ataque del avión.

Al igual que con los alerones, esta superficie de control está conectada a los mandos del avión y es accionado por el piloto empujando o tirando de ellos. Suele tener una deflexión máxima de 40 grados hacia arriba 20 grados hacia abajo aproximadamente.

Al tirar de los mandos, esta superficie sube, mientras que al empujar los mandos, esta superficie baja. El timón arriba produce una menor sustentación en la cola, con lo cual esta baja y por tanto la nariz sube (mayor angulo de ataque), por el contrario, el timón abajo aumenta la sustentación en la cola, haciéndola subir y por tanto bajando la nariz del avión (menos ángulo de ataque). De esta manera se produce el movimiento de cabeceo del avión.

Es importante asimilar, que la sola modificación del angulo de ataque del avión no resulta por si sola en un ascenso o descenso en la altitud a la cual vuela el avión sino que este efecto es logrado luego de la combinación de actitud y sustentación provocada por la propulsión del avión o condiciones atmosféricas en caso de un avión no propulsado por motor.

Timón Direccional o Estabilizador Vertical.

Es una superficie móvil montada en la parte posterior del empenaje o cola del avión, y su movimiento provoca el movimiento de guiñada (yaw) del avión sobre su eje vertical, sin embargo este movimiento no hace virar el avión en sí mismo sino que se suele utilizar para equilibrar las fuerzas en los virajes, compensar la aceleración centrífuga o para centrar el avión en la trayectoria deseada. Esta superficie se controla mediante pedales situados en el suelo de la cabina de mandos.

Al pisar el pedal derecho, el timón direccional gira hacia la derecha, provocando una reacción aerodinámica en la cola que hace que esta gira a la izquierda y por tanto la nariz del avión gire (guiñe) hacia la derecha. Al pisar el pedal izquierdo sucede lo contrario, la cola del avión vira hacia la derecha, y la nariz del avión hacia la izquierda.

Recordando los principios de aerodinámica, es bueno recordar que la efectividad de las superficies de control serán mayores a altas velocidades. Es conveniente tener esto en cuenta en maniobras efectuadas a baja velocidad.

Compensadores.

La actitud de vuelo deseada se consigue mediante un accionar constante el los mandos que actúan sobre las superficies de control, lo cual requiere de un permanente esfuerzo físico por parte del piloto.

Para evitar este esfuerzo físico por periodos de tiempo prolongados, el avión dispone de compensadores, que son mecanismos que permiten que las superficies de control se mantengan en una posición fijada por el piloto, distinta de su centro normal, liberándo la carga física que el piloto realiza sobre los mandos y superficies de control.

Aunque no todos los aviones disponen de todos ellos, los compensadores se denominan según la función o superficie en la que se aplican: de dirección, de alabeo, o de profundidad.

Superficies Secundarias.

Las superficies primarias nos permiten mantener el control de la trayectoria del avión. Las secundarias se utilizan en general para modificar la sustentación y hacer más fáciles y dominables algunas maniobras. Las superficies secundarias son:

  • Flaps
  • Slats
  • Spoilers

Flaps.

La función de los flaps es aumentar la sustentación del avión cuando este vuela a velocidades inferiores a aquellas para las cuales ha sido diseñada el ala. Están situados normalmente en la parte interior trasera de las alas, y se deflectan hacia abajo de forma simétrica (en ambas alas al mismo tiempo) en distintos niveles de extensión, con lo cual es posible controlar progresivamente la curvatura del perfil alar, la superficie alar y el ángulo de incidencia, todos factores contribuyentes de la sustentación (y por añadidura de la resistencia).

Los flaps se accionan desde la cabina, a través de distintos tipos de actuadores comandados por un sistema eléctrico, hidráulico o simplemente mecánico con distintos grados de extensión.

En la siguiente figura se muestra de forma gráfica como la extensión de flaps aumenta la sustentación, lo cual permite al avion volar con velocidades más bajas, manteniendo el ángulo de ataque en el cual se produce la pérdida de sustentación (también denominado «stall» o desprendimiento de capa límite).

Slats.

Son superficies que actuan en forma similar a los flaps, situadas en la parte anterior del ala y que al desplegarse generan una ranura por la cual se canaliza una corriente de aire de alta velocidad desde el intradós (flujo de mayor presión) hacia el extradós, generando un aumento en la sustentación permitiendo alcanzar mayores ángulos de ataque retrasando la entrada en pérdida hacia zonas de mayor angulo de ataque.

Los slats son empleados generalmente en aviones de gran envergadura, para aumentar la sustentación en operaciones a baja velocidad y así reducir el esfuerzo de los motores en estos regímenes de vuelo.

Los slats desplegados varían la aerodinámica del perfil alar, aumentando su coeficiente de sustentación y desplazando hacia el borde de fuga del ala el punto del extradós en que el flujo del aire se separa y se hace turbulento, mientras que en el caso de los flaps, el ángulo de ataque que producía la entrada en pérdida permanece invariable, no así su velocidad.

En conclusión, la utilización combinada de slats y flaps proporciona al avión ambas características anteriormente descritas, mejorando considerablemente las operaciones de despegue y aterrizaje.

Spoilers.

Los spoilers, al contrario de los Slats y Flaps, buscan un mecanismo de disminuir la sustentación del avión. Se emplean sobretodo en aviones que debido a su eficiencia aerodinámica desarrollan altas velocidades y pierden poca velocidad producido por la resistencia de la masa de aire. Estos dispositivos sirven entonces para perder velocidad de manera controlada, facilitar las maniobras de aproximación y aterrizaje y ayudar al frenado del avión en tierra. En algunos aviones, el uso de spoilers es utilizado como complemento al control lateral y virajes en vuelo.

Las superficies secundarias (flaps, slats y spoilers) siempre funcionan de forma simétrica y simultánea en ambas alas, excepto cuando los spoilers son utilizados de forma complementaria a los alerones.

En aeronaves de gran envergadura, todas estas superficies (primeras y secundarias) son gobernadas por medios electricos o hidráulicos por la razón lógica de que su tamaño hace que su peso sea considerablemente mayor al que una persona podría manipular de manera directa a través de actuadores mecánicos. En aeronaves de menor envergadura, monomotores o aviones ligeros es más común observar que las superficies de vuelo son controladas directamente a través de poleas, o conexiones mecánicas directas a la cabina de mandos.

 

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