Teoría del vuelo de la aeronave - Aircraft Theory of Flight
Antes de que un técnico pueda plantearse realizar el mantenimiento de un avión, es necesario entender las piezas que lo componen. Nombres como fuselaje, empenaje, ala, y muchos otros, entran en juego a la hora de describir qué es un avión y cómo funciona.
En el caso de los helicópteros, nombres como rotor principal, rotor antitorque y autorrotación vienen a la mente como una pequeña parte de lo que hay que entender sobre los helicópteros. El estudio de la física, que incluye la aerodinámica básica, es una parte necesaria para entender por qué las aeronaves funcionan como lo hacen.
Las cuatro fuerzas del vuelo - Four Forces of Flight
Durante el vuelo, hay cuatro fuerzas que actúan sobre un avión. Estas fuerzas son la sustentación, el peso, el empuje y la resistencia. La sustentación es la fuerza ascendente creada por el ala, el peso es la atracción de la gravedad sobre la masa, el empuje es la fuerza creada por la hélice o el motor de turbina del avión y la resistencia es la fricción causada por el aire que fluye alrededor del avión.
Estas cuatro fuerzas se miden en libras. Cada vez que las fuerzas no están en equilibrio, algo en el estado del avión está cambiando. Las posibilidades son las siguientes
El principio de Bernoulli y el flujo subsónico - Bernoulli’s Principle and Subsonic Flow
El concepto básico del flujo de aire subsónico y los diferenciales de presión resultantes fue descubierto por Daniel Bernoulli, un físico suizo. El principio de Bernoulli, tal y como lo conocemos hoy en día, establece que "a medida que la velocidad de un fluido aumenta, la presión estática de ese fluido disminuirá, siempre que no se añada ni se quite energía".
Una aplicación directa del principio de Bernoulli es el estudio del aire cuando fluye a través de un paso convergente o divergente, y relacionar los resultados con algunos conceptos de la aviación.
La sustentación y la tercera ley de Newton - Lift and Newton’s Third Law
La tercera ley de Newton establece que para cada fuerza existe una fuerza de reacción igual y opuesta. Además del principio de Bernoulli, la tercera ley de Newton también puede utilizarse para explicar la sustentación creada por un ala.
A medida que el aire se desplaza alrededor de un ala y abandona el borde de fuga, el aire se ve obligado a moverse en dirección descendente. Como se necesita una fuerza para que algo cambie de dirección, debe haber una fuerza de reacción igual y opuesta. En este caso, la fuerza de reacción es lo que llamamos sustentación.
Para calcular la sustentación en base a la tercera ley de Newton, se utilizaría la segunda ley de Newton y la fórmula "Fuerza = Masa × Aceleración". La masa sería el peso del aire que fluye sobre el ala cada segundo, y la aceleración sería el cambio de velocidad que el ala imparte al aire.
La sustentación del ala descrita por el principio de Bernoulli y la sustentación del ala descrita por la tercera ley de Newton no están separadas ni son independientes la una de la otra. Son sólo dos formas diferentes de describir la misma cosa, es decir, la sustentación de un ala.
Perfiles aerodinámicos - Airfoils
Un perfil aerodinámico es cualquier dispositivo que crea una fuerza, basada en los principios de Bernoulli o en las leyes de Newton, cuando se hace fluir el aire sobre la superficie del dispositivo. Un perfil aerodinámico puede ser el ala de un avión, el aspa de una hélice, el aspa del rotor de un helicóptero o el aspa del ventilador de un motor turbofán.
El ala de un avión se mueve en el aire porque el avión está en movimiento, y genera sustentación por el proceso descrito anteriormente. En comparación, el aspa de una hélice, el aspa del rotor de un helicóptero o el aspa del ventilador de un motor turbofán giran en el aire. Estas palas giratorias podrían denominarse alas giratorias, como es habitual en los helicópteros cuando se denominan aviones de ala giratoria.
El ala giratoria puede verse como un dispositivo que crea sustentación, o igual de correcto, puede verse como un dispositivo que crea empuje.
Camber
El camber de un ala es la curvatura presente en las superficies superior e inferior. La curvatura en la parte superior es mucho más pronunciada, a menos que el ala sea un perfil aéreo simétrico, que tiene la misma curvatura en la parte superior e inferior.
La parte inferior del ala, la mayoría de las veces, es relativamente plana. El aumento de la curvatura en la parte superior es lo que hace que la velocidad del aire aumente y la presión estática disminuya. La parte inferior del ala tiene menos velocidad y más presión estática, por lo que el ala genera sustentación.
Chord Line
La línea de cuerda es una línea recta imaginaria que va desde el borde de ataque del ala hasta su borde de salida. El ángulo entre la línea de cuerda y el eje longitudinal del avión se conoce como ángulo de incidencia.
Viento relativo - Relative Wind
El viento relativo es una relación entre la dirección del flujo de aire y el ala del avión. En circunstancias normales de vuelo, el viento relativo es la dirección opuesta a la trayectoria de vuelo del avión.
Ángulo de ataque - Angle of Attack
El ángulo entre la línea de cuerda y el viento relativo es el ángulo de ataque. A medida que aumenta el ángulo de ataque, aumenta la sustentación del ala. Si el ángulo de ataque es demasiado grande, el flujo de aire puede separarse del ala y la sustentación se destruirá. Cuando esto ocurre, se produce una condición conocida como pérdida.
Flujo de aire en la capa límite - Boundary Layer Airflow
La capa límite es una capa muy fina de aire que se extiende sobre la superficie del ala y, por tanto, sobre todas las demás superficies del avión. Como el aire tiene viscosidad, esta capa de aire tiende a adherirse al ala. A medida que el ala avanza por el aire, la capa límite fluye al principio suavemente sobre la forma aerodinámica del perfil. En este caso, el flujo se denomina capa laminar.
Control de la capa límite - Boundary Layer Control
Una forma de mantener la capa límite de aire bajo control, o de reducir su efecto negativo, es hacer que la superficie del ala sea lo más lisa posible y mantenerla libre de suciedad y residuos. A medida que la fricción entre el aire y la superficie del ala aumenta, la capa límite se hace más gruesa y turbulenta y, finalmente, se produce una pérdida del ala.
Con una superficie del ala lisa y limpia, la aparición de la pérdida se retrasa y el ala puede funcionar con un ángulo de ataque mayor. Una de las razones por las que la formación de hielo en un ala puede ser un problema tan grave es por su efecto en la capa límite de aire. En un avión de alta velocidad, incluso unos pocos insectos salpicados en el borde de ataque del ala pueden afectar negativamente al aire de la capa límite.
Vórtices en la punta del ala - Wingtip Vortices
Los vórtices en la punta del ala son causados por el aire debajo del ala, que está a mayor presión, fluyendo sobre la punta del ala y subiendo hacia la parte superior del ala. El resultado final es una espiral o vórtice que sigue detrás de la punta del ala cuando se produce la sustentación.
Este vórtice también se conoce como turbulencia de estela, y es un factor importante para determinar lo cerca que un avión puede seguir a otro en la aproximación a tierra. La turbulencia de la estela de un avión grande puede hacer que un avión más pequeño, si lo sigue demasiado de cerca, se descontrole.
Ejes de un avión - Axes of an Aircraft
Un avión en vuelo se controla alrededor de uno o más de los tres ejes de rotación. Estos ejes de rotación son el longitudinal, el lateral y el vertical. En el avión, los tres ejes se cruzan en el centro de gravedad. Cuando el avión pivota sobre uno de estos ejes, en esencia está pivotando alrededor del centro de gravedad (CG). El centro de gravedad también se denomina centro de rotación.
Estabilidad del avión - Aircraft Stability
Cuando un avión está en vuelo recto y nivelado a una velocidad constante, todas las fuerzas que actúan sobre el avión están en equilibrio. Si ese vuelo recto y nivelado se ve interrumpido por una perturbación en el aire, como una turbulencia en la estela, el avión puede cabecear hacia arriba o hacia abajo, desviarse hacia la izquierda o hacia la derecha, o entrar en balanceo. Si el avión tiene lo que se caracteriza como estabilidad, una vez que la perturbación desaparece, el avión volverá a un estado de equilibrio.
Estabilidad estática - Static Stability
La respuesta inicial que muestra un avión después de que se interrumpa su equilibrio se denomina estabilidad estática. Si la estabilidad estática es positiva, el avión tenderá a volver a su posición original después de que se elimine la fuerza perturbadora.
Si la estabilidad estática es negativa, el avión continuará alejándose de su posición original después de la eliminación de la fuerza perturbadora. Si un avión con estabilidad estática negativa tiene el morro inclinado hacia arriba debido a la turbulencia de la estela, la tendencia será que el morro siga inclinado hacia arriba incluso después de que desaparezca la turbulencia.
Si un avión tiende a permanecer en una posición desplazada después de la eliminación de la fuerza, pero no continúa moviéndose hacia un desplazamiento aún mayor, su estabilidad estática se describe como neutral.
Estabilidad dinámica - Dynamic Stability
La estabilidad dinámica de un avión implica la cantidad de tiempo que tarda en reaccionar a su estabilidad estática después de haber sido desplazado de una condición de equilibrio.
La estabilidad dinámica implica las oscilaciones que suelen producirse cuando el avión intenta volver a su posición o actitud original. Aunque un avión pueda tener una estabilidad estática positiva, puede tener una estabilidad dinámica que sea positiva, neutra o negativa.
Estabilidad longitudinal - Longitudinal Stability
La estabilidad longitudinal de un avión implica la tendencia del morro a cabecear hacia arriba o hacia abajo, girando alrededor del eje lateral, que se mide de punta de ala a punta de ala. Si un avión es estable longitudinalmente, volverá a un ángulo de ataque correctamente ajustado después de que se elimine la fuerza que alteró su trayectoria de vuelo.
Estabilidad lateral - Lateral Stability
La estabilidad lateral de un avión tiene lugar alrededor del eje longitudinal, que va desde el morro del avión hasta la cola. Si un ala está más baja que la otra, una buena estabilidad lateral tenderá a devolver las alas a una actitud de vuelo nivelada.
Una característica de diseño que tiende a dar a un avión una buena estabilidad lateral se llama diedro. El diedro es un ángulo del ala hacia arriba, con respecto a la horizontal, y suele ser de unos pocos grados.
Estabilidad direccional - Directional Stability
El movimiento del avión alrededor de su eje vertical, y la capacidad del avión de no verse afectado negativamente por una fuerza que cree un movimiento de tipo guiñada, se denomina estabilidad direccional. La aleta vertical proporciona al avión esta estabilidad, haciendo que el avión se alinee con el viento relativo.
En vuelo, el avión actúa como la veleta que usamos alrededor de nuestra casa para mostrar la dirección en la que sopla el viento. La distancia desde el punto de giro de una veleta hasta su cola es mayor que la distancia desde su punto de giro hasta el morro.
Así, cuando el viento sopla, crea una mayor fuerza de torsión en la cola y la obliga a alinearse con el viento. En un avión ocurre lo mismo. Siendo el CG el punto de pivote, la distancia entre el CG y el estabilizador vertical es mayor que la que hay entre el CG y el morro.
Balanceo holandés - Dutch Roll
El diedro del ala intenta hacer rodar el avión en la dirección opuesta a la del deslizamiento, y la aleta vertical intentará guiñar el avión en la dirección del deslizamiento. Estos dos eventos se combinan de forma que afectan a la estabilidad lateral y direccional.
Si el diedro del ala tiene el mayor efecto, el avión tendrá tendencia a experimentar un alabeo. Un balanceo holandés es una pequeña oscilación alrededor de los ejes longitudinal y vertical. Aunque esta condición no se considera peligrosa, puede producir una sensación incómoda para los pasajeros. Los aviones comerciales suelen tener amortiguadores de guiñada que detectan una condición de balanceo holandés y la anulan.
Superficies de control de vuelo - Flight Control Surfaces
El propósito de los controles de vuelo es permitir al piloto maniobrar el avión y controlarlo desde el momento en que comienza el rodaje de despegue hasta que aterriza y se detiene de forma segura. Los controles de vuelo se asocian típicamente con el ala y los estabilizadores vertical y horizontal, porque son las partes del avión a las que más a menudo se unen los controles de vuelo.
En vuelo, y hasta cierto punto en tierra, los controles de vuelo proporcionan al avión la capacidad de moverse alrededor de uno o más de los tres ejes. Los controles de vuelo funcionan cambiando la forma o las características aerodinámicas de la superficie a la que están unidos.
Controles de vuelo y el eje lateral - Flight Controls and the Lateral Axis
El eje lateral de un avión es una línea que va por debajo del ala, de punta a punta, y que pasa por el centro de gravedad del avión. El movimiento alrededor de este eje se llama cabeceo, y el control alrededor de este eje se llama control longitudinal.
El control de vuelo que se encarga de este trabajo es el elevador unido al estabilizador horizontal, un estabilizador horizontal totalmente móvil, o en un avión configurado con cola en V, se llama timón.
Controles de vuelo y el eje longitudinal - Flight Controls and the Longitudinal Axis
El eje longitudinal del avión pasa por el centro del avión, desde el morro hasta la cola, pasando por el centro de gravedad. El movimiento alrededor de este eje se conoce como balanceo, y el control alrededor de este eje se llama control lateral. El movimiento alrededor de este eje es controlado por los alerones, y en los aviones de transporte a reacción, es ayudado por superficies en el ala conocidas como alerones.
Controles de vuelo y el eje vertical - Flight Controls and the Vertical Axis
El eje vertical de un avión va de arriba a abajo por el centro del avión, pasando por el centro de gravedad. El movimiento alrededor de este eje se conoce como guiñada, y el control alrededor de este eje se llama control direccional. El movimiento alrededor de este eje se controla con el timón, o en el caso del Beechcraft Bonanza.
Tabs
Trim Tabs
Las aletas de centrado son pequeñas superficies móviles que se fijan al borde de fuga de los mandos de vuelo. Estas lengüetas pueden ser controladas desde la cabina de vuelo, y su propósito es crear una fuerza aerodinámica que mantenga el control de vuelo en una posición desviada. Las lengüetas de Trim pueden ser instaladas en cualquiera de los controles de vuelo primarios.
Anti-servo Tab
Algunos aviones, como el Piper Cherokee Arrow, no tienen un estabilizador horizontal fijo y un elevador móvil. El Cherokee utiliza una superficie horizontal móvil conocida como estabilizador. Debido a la ubicación del punto de pivote para esta superficie móvil, tiene una tendencia a ser extremadamente sensible a la entrada del piloto.
Para reducir la sensibilidad, se instala una lengüeta antiservo de longitud completa en el borde de salida del estabilizador. Cuando el borde de fuga del estabilizador se mueve hacia abajo, la lengüeta antiservo se mueve hacia abajo y crea una fuerza que intenta elevar el borde de fuga. Con esta fuerza actuando contra el movimiento del estabilizador, se reduce la sensibilidad a la entrada del piloto.
Balance Tab
En algunos aviones, la fuerza necesaria para mover los controles de vuelo puede ser excesiva. En estos casos, se puede utilizar un Balance Tab para generar una fuerza que ayude a mover el mando de vuelo. Al igual que las anti-servo tabs, las balance tabs se mueven en la dirección opuesta al borde de salida del control de vuelo, proporcionando una fuerza que ayuda al movimiento del control de vuelo.
Servo Tab
En los aviones grandes, debido a que la fuerza necesaria para mover los controles de vuelo está más allá de la capacidad del piloto, se utilizan actuadores hidráulicos para proporcionar la fuerza necesaria. En el caso de un mal funcionamiento o fallo del sistema hidráulico, algunos de estos aviones tienen Servo Tab en el borde de salida de los controles de vuelo primarios.
Cuando la rueda de control se tira hacia atrás en un intento de mover el elevador, la Servo Tab se mueve y crea suficiente fuerza aerodinámica para mover el elevador. La Servo Tab actúa como una lengüeta de equilibrio, pero en lugar de ayudar a la fuerza normal que mueve el elevador, se convierte en la única fuerza que hace que el elevador se mueva.
Al igual que la lengüeta de equilibrio, la Servo Tab se mueve en la dirección opuesta al borde de fuga del mando de vuelo. El Boeing 727 tiene Servo Tab que respaldan el sistema hidráulico en caso de fallo. Durante el vuelo normal, las Servo Tab actúan como lengüetas de equilibrio.
Dispositivos suplementarios de modificación de la sustentación - Supplemental Lift-Modifying Devices
Si el ala de un avión se diseñara para producir la máxima sustentación posible a baja velocidad del aire, para acomodar los despegues y aterrizajes, no sería adecuada para el vuelo a mayor velocidad debido a la enorme cantidad de resistencia que produciría. Para dar al ala la capacidad de producir la máxima sustentación a baja velocidad sin que la resistencia sea prohibitiva, se utilizan dispositivos retráctiles de alta sustentación, como flaps y slats.
Flaps
El dispositivo de modificación de la sustentación más utilizado, tanto en los aviones pequeños como en los grandes, es el flaps. Los flaps pueden instalarse en el borde de ataque o en el borde de fuga, y las versiones del borde de ataque sólo se utilizan en aviones grandes.
Los flaps modifican la inclinación del ala y aumentan tanto la sustentación como la resistencia para cualquier ángulo de ataque. Los cuatro tipos diferentes de flaps que se utilizan se denominan lisos, divididos, ranurados y Fowler.
Slots del borde de ataque - Leading Edge Slots
Las ranuras del borde de ataque son conductos o pasajes en el borde de ataque de un ala que permiten que el aire de alta presión de la parte inferior del ala fluya hacia la parte superior del ala. Este aire canalizado fluye sobre la parte superior del ala a gran velocidad y ayuda a evitar que el aire de la capa límite se vuelva turbulento y se separe del ala. Las ranuras suelen colocarse en la parte del ala situada por delante de los alerones, de modo que en caso de pérdida, la parte interior del ala entra en pérdida primero y los alerones siguen siendo eficaces.
Slats del borde de ataque - Leading Edge Slats
Los slats del borde de ataque tienen la misma función que las ranuras, con la diferencia de que los slats son móviles y pueden retraerse cuando no se necesitan. En algunos aviones, las lamas del borde de ataque son automáticas y se despliegan en respuesta a las fuerzas aerodinámicas que entran en juego durante un ángulo de ataque elevado. En la mayoría de los aviones comerciales actuales, los slats del borde de ataque se despliegan cuando se bajan los flaps del borde de salida.
Aerodinámica de alta velocidad - High-Speed Aerodynamics
Efectos de la compresibilidad - Compressibility Effects
Cuando el aire fluye a velocidad subsónica, se comporta como un fluido incompresible. Como se ha comentado anteriormente en este capítulo, cuando el aire a velocidad subsónica fluye a través de un paso con forma divergente, la velocidad disminuye y la presión estática aumenta, pero la densidad del aire no cambia.
En un pasaje con forma convergente, el aire subsónico acelera y su presión estática disminuye. Cuando el aire supersónico fluye a través de un pasaje convergente, su velocidad disminuye y su presión y densidad aumentan. En el flujo supersónico, el aire se comporta como un fluido compresible. Dado que el aire se comporta de forma diferente cuando fluye a velocidad supersónica, los aviones que vuelan a velocidad supersónica deben tener alas con una forma diferente.
La velocidad del sonido - The Speed of Sound
El sonido, en referencia a los aviones y a su movimiento en el aire, no es más que perturbaciones de presión en el aire. Como se ha comentado anteriormente en este capítulo, es como dejar caer una piedra en el agua y ver las ondas que salen del centro.
Cuando un avión vuela por el aire, cada punto del avión que causa una perturbación crea energía sonora en forma de ondas de presión. Estas ondas de presión se alejan del avión a la velocidad del sonido, que a una temperatura diurna estándar de 59 °F, es de 761 mph. La velocidad del sonido en el aire cambia con la temperatura, aumentando a medida que ésta aumenta.
Vuelo subsónico, transónico y supersónico - Subsonic, Transonic, and Supersonic Flight
Cuando un avión vuela a velocidad subsónica, todo el aire que fluye alrededor del avión lo hace a una velocidad inferior a la del sonido, lo que se conoce como Mach 1.
Tenga en cuenta que el aire se acelera cuando fluye sobre ciertas partes del avión, como la parte superior del ala, por lo que un avión que vuela a 500 mph podría tener el aire sobre la parte superior del ala alcanzar una velocidad de 600 mph. La velocidad a la que puede volar un avión y seguir considerándose en vuelo subsónico varía según el diseño del ala, pero como número de Mach, suele estar justo por encima de Mach 0,8.
Cuando un avión vuela a velocidad transónica, parte del avión experimenta un flujo de aire subsónico y parte un flujo de aire supersónico. Sobre la parte superior del ala, probablemente a mitad de camino, la velocidad del aire alcanzará Mach 1 y se formará una onda de choque. La onda de choque se forma a 90 grados del flujo de aire y se conoce como onda de choque normal.
Durante el vuelo transónico pueden surgir problemas de estabilidad, ya que la onda de choque puede hacer que el flujo de aire se separe del ala. La onda de choque también hace que el centro de sustentación se desplace hacia la popa, haciendo que el morro se incline hacia abajo. La velocidad a la que se forma la onda de choque se conoce como número de Mach crítico. La velocidad transónica suele estar entre Mach 0,80 y 1,20.
Cuando un avión vuela a velocidad supersónica, todo el avión experimenta un flujo de aire supersónico. A esta velocidad, la onda de choque que se formó en la parte superior del ala durante el vuelo transónico se ha desplazado hasta la popa y se ha adherido al borde de fuga del ala. La velocidad supersónica va de Mach 1,20 a 5,0. Si un avión vuela a más de Mach 5, se dice que está en vuelo hipersónico.
Ondas de choque - Shock Waves
El sonido procedente de un avión es el resultado de la perturbación del aire cuando el avión lo atraviesa, y de las ondas de presión resultantes que irradian desde la fuente de la perturbación. En un avión que se mueve lentamente, las ondas de presión se desplazan por delante del avión, viajando a la velocidad del sonido.
Sin embargo, cuando la velocidad del avión alcanza la velocidad del sonido, las ondas de presión, o energía sonora, no pueden alejarse del avión. En ese momento, la energía sonora comienza a acumularse, inicialmente en la parte superior del ala, y finalmente se adhiere a los bordes de ataque y de salida del ala. Esta acumulación de energía sonora se denomina onda de choque. Si las ondas de choque llegan al suelo y se cruzan con una persona, se oirán como un estampido sónico.
Onda de choque normal - Normal Shock Wave
Cuando un avión está en vuelo transónico, la onda de choque que se forma en la parte superior del ala, y eventualmente en la parte inferior del ala, se llama onda de choque normal. Si el borde de ataque del ala es romo, en lugar de redondeado o afilado, también se formará una onda de choque normal delante del ala durante el vuelo supersónico.
Las ondas de choque normales se forman perpendicularmente a la corriente de aire. La velocidad del aire detrás de una onda de choque normal es subsónica, y la presión estática y la densidad del aire son mayores.
Onda de choque oblicua - Oblique Shock Wave
Un avión que está diseñado para volar en supersónico tendrá superficies con bordes muy afilados, para tener la menor cantidad de resistencia. Cuando el avión está en vuelo supersónico, el borde de ataque y el borde de salida del ala tendrán ondas de choque adheridas a ellos.
Estas ondas de choque se conocen como ondas de choque oblicuas. Detrás de una onda de choque oblicua la velocidad del aire es menor, pero todavía supersónica, y la presión estática y la densidad son mayores.
Onda de expansión - Expansion Wave
Anteriormente en la discusión de la aerodinámica de alta velocidad, se dijo que el aire a velocidad supersónica actúa como un fluido compresible. Por esta razón, el aire supersónico, cuando se le da la oportunidad, quiere expandirse hacia afuera.
Cuando el aire supersónico fluye sobre la parte superior de un ala, y la superficie del ala se aleja de la dirección del flujo, el aire se expandirá y seguirá la nueva dirección. Se producirá una onda de expansión en el punto donde cambia la dirección del flujo. Detrás de la onda de expansión aumenta la velocidad y disminuyen la presión estática y la densidad. Una onda de expansión no es una onda de choque.
Perfiles aéreos de alta velocidad - High-Speed Airfoils
El vuelo transónico es el régimen de vuelo más difícil para un avión, porque una parte del ala experimenta un flujo de aire subsónico y otra un flujo de aire supersónico.
Para un perfil aéreo subsónico, el centro aerodinámico, o el punto de apoyo, se encuentra aproximadamente a un 25 por ciento del borde de ataque del ala. En vuelo supersónico, el centro aerodinámico se desplaza hacia atrás hasta el 50% de la cuerda del ala, lo que provoca algunos cambios significativos en el control y la estabilidad del avión.
Calentamiento aerodinámico - Aerodynamic Heating
Uno de los problemas de los aviones y del vuelo a alta velocidad es el calor que se acumula en la superficie del avión debido a la fricción del aire. Cuando el SR-71 Blackbird vuela a Mach 3,5, la temperatura de la piel de su superficie oscila entre 450 °F y más de 1.000 °F. Para soportar esta alta temperatura, el avión se construyó con una aleación de titanio, en lugar de la tradicional aleación de aluminio.
El transporte supersónico Concorde se diseñó originalmente para alcanzar una velocidad de crucero de 2,2 Mach, pero su velocidad de crucero se redujo a Mach 2,0 debido a los problemas estructurales que empezaron a producirse por el calentamiento aerodinámico. Si en el futuro se construyen aviones capaces de realizar vuelos hipersónicos, uno de los obstáculos que habrá que superar es la tensión que el calor provoca en la estructura del avión.
Aerodinámica de los helicópteros - Helicopter Aerodynamics
El helicóptero, tal y como lo conocemos hoy en día, entra dentro de la clasificación conocida como rotorcraft. Los rotorcraft también se conocen como aviones de ala rotatoria, porque en lugar de que su ala sea fija como en un avión, el ala gira.
El ala giratoria de un helicóptero puede considerarse como un dispositivo de sustentación, como el ala de un avión, o como un dispositivo de empuje, como la hélice de un motor de pistón.
Sistemas Anti-Torque
Siempre que se aplique una fuerza para hacer girar un objeto, habrá una fuerza igual que actúe en sentido contrario. Si el sistema del rotor principal del helicóptero gira en el sentido de las agujas del reloj cuando se ve desde arriba, el helicóptero tratará de girar en sentido contrario. se descubrió que el torque es lo que trata de hacer girar algo. Por esta razón, un helicóptero utiliza lo que se llama un sistema anti-torque para contrarrestar la fuerza que intenta hacerlo girar.
Un método que se utiliza en un helicóptero para contrarrestar la torsión es colocar un conjunto de palas giratorias en el extremo del brazo de cola. Estas palas se denominan rotor de cola o rotor antitorque, y su propósito es crear una fuerza, o empuje, que actúa en la dirección opuesta a la que el helicóptero intenta girar.
La fuerza del rotor de cola, en libras, multiplicada por la distancia del rotor de cola al rotor principal, en pies, crea un torque en libras-pie que contrarresta el torque del rotor principal.
Sistemas de rotor principal - Main Rotor Systems
En el sistema de rotor totalmente articulado, las palas están unidas al centro varias veces. Las palas están articuladas de manera que puedan moverse hacia arriba y hacia abajo y hacia delante y hacia atrás, y los cojinetes proporcionan el movimiento alrededor del eje de cambio de paso.
Los sistemas de rotor que utilizan este tipo de disposición suelen tener tres o más palas. La bisagra que permite que las palas se muevan hacia arriba y hacia abajo se llama bisagra de flaps, y el movimiento alrededor de esta bisagra se llama flaps. La bisagra que permite que las palas se muevan hacia delante y hacia atrás se denomina bisagra de arrastre o de retraso.
El movimiento alrededor de esta bisagra se denomina arrastre, plomo/retraso o caza. El sistema de rotor semirrígido se utiliza con un rotor principal de dos palas. Las palas están unidas de forma rígida al centro, y el centro y las palas pueden balancearse como un balancín.
Esta acción de balanceo permite que las palas aleteen, con una de ellas descendiendo mientras la otra se eleva. Las palas pueden cambiar de inclinación independientemente unas de otras. Este helicóptero utiliza un sistema de rotor semirrígido, lo que resulta evidente por la forma en que el rotor se inclina hacia delante cuando el helicóptero está en vuelo de avance.
Ejes de vuelo de los helicópteros - Helicopter Axes of Flight
Los helicópteros, como los aviones, tienen un eje vertical, lateral y longitudinal que pasa por el centro de gravedad del helicóptero. Los helicópteros giran alrededor del eje vertical, cabecean alrededor del eje lateral y giran alrededor del eje longitudinal. La figura 5-90 muestra los tres ejes de un helicóptero y cómo se relacionan con el movimiento del helicóptero.
Los tres ejes se cruzan en el centro de gravedad del helicóptero, y el helicóptero pivota alrededor de este punto. Observe en la figura que el eje vertical pasa casi por el centro del rotor principal, porque el centro de gravedad del helicóptero tiene que estar muy cerca de este punto.
Control alrededor del eje vertical - Control Around the Vertical Axis
En un helicóptero de un solo rotor principal, el control en torno al eje vertical lo realiza el rotor anti-torque, o el rotor de cola, o el flujo de aire del ventilador en un helicóptero de tipo NOTAR. Como en un avión, la rotación alrededor de este eje se conoce como guiñada.
El piloto controla la guiñada empujando los pedales anti-torque situados en el suelo de la cabina, de la misma manera que el piloto de un avión controla la guiñada empujando los pedales del timón. Para hacer que el morro del helicóptero baje hacia la derecha, el piloto pisa el pedal anti-torque derecho.
Visto desde arriba, si el helicóptero intenta girar en sentido contrario a las agujas del reloj debido al torque del rotor principal, el piloto también presionará el pedal anti-torque derecho para contrarrestar el torque del rotor principal. Utilizando los pedales antitorque, el piloto puede hacer girar intencionadamente el helicóptero en cualquier dirección alrededor del eje vertical.
Control alrededor de los ejes longitudinal y lateral - Control Around the Longitudinal and Lateral Axes
El movimiento alrededor de los ejes longitudinal y lateral es manejado por el rotor principal del helicóptero. En la cabina, hay dos palancas que controlan el rotor principal, conocidas como controles de paso colectivo y cíclico. La palanca de paso colectivo está en el lado del asiento del piloto, y la palanca de paso cíclico está en la parte delantera del asiento, en el centro.
Helicópteros en vuelo - Helicopters in Flight
Planeando - Hovering
Para un helicóptero, el vuelo estacionario significa que está en vuelo a una altitud constante, sin movimiento hacia delante, hacia atrás o hacia los lados. Para poder planear, un helicóptero debe producir suficiente sustentación en las palas del rotor principal para igualar el peso de la aeronave.
El motor del helicóptero debe producir suficiente potencia para accionar el rotor principal, y también para accionar cualquier tipo de sistema anti-torque que se esté utilizando. La capacidad de un helicóptero para flotar se ve afectada por muchos factores, entre ellos si está o no en efecto suelo, la altitud de densidad del aire, la potencia disponible del motor y el grado de carga.
Vuelo hacia delante - Forward Flight
En los primeros días del desarrollo de los helicópteros, se dominó la capacidad de planear antes de lograr el vuelo hacia adelante. Los primeros intentos de vuelo hacia delante daban lugar a que el helicóptero se volcara cuando intentaba salir del vuelo estacionario y moverse en cualquier dirección. La causa del vuelco es lo que ahora denominamos disimetría de la sustentación.
Aleteo de las palas - Blade Flapping
Para resolver el problema de la disimetría de la sustentación, los diseñadores de helicópteros idearon un diseño con bisagras que permite a la pala del rotor aletear hacia arriba cuando experimenta un aumento de la sustentación, y aletear hacia abajo cuando experimenta una disminución de la misma.
Cuando una pala del rotor avanza hacia la parte delantera del helicóptero y experimenta un aumento de la velocidad del flujo de aire, el aumento de la sustentación hace que la pala flamee hacia arriba. Este movimiento ascendente de la pala cambia la dirección del viento relativo en relación con la línea de cuerda de la pala, y hace que el ángulo de ataque disminuya.
La disminución del ángulo de ataque disminuye la sustentación de la pala. La pala que retrocede experimenta una reducción de la velocidad del flujo de aire y de la sustentación, y aletea hacia abajo. Al aletear hacia abajo, la pala en retirada termina con un ángulo de ataque mayor y un aumento de la sustentación. El resultado final es que la sustentación de las palas se iguala, y la tendencia del helicóptero a rodar nunca se materializa.
Problemas de las palas en avance y en retroceso - Advancing Blade and Retreating Blade Problems
La pala que avanza hacia el viento relativo ve el flujo de aire a una velocidad cada vez mayor a medida que el helicóptero vuela hacia delante a velocidades cada vez mayores. Finalmente, la velocidad del aire sobre la pala del rotor alcanzará una velocidad sónica, muy parecida al número de Mach crítico para el ala de un avión. Cuando esto ocurra, se formará una onda de choque y el aire se separará de la pala del rotor, dando lugar a una pérdida de alta velocidad.
Autorrotación - Autorotation
El motor de un helicóptero acciona el sistema del rotor principal mediante un embrague y una transmisión. El embrague permite que el motor esté funcionando y que el sistema del rotor no gire, mientras el helicóptero está en tierra, y también permite que el sistema del rotor se desconecte del motor mientras está en vuelo, si el motor falla.
La desconexión del sistema del rotor del motor en caso de que éste falle es necesaria para que el helicóptero sea capaz de realizar una condición de vuelo llamada autorrotación.
Aerodinámica de los aeronaves de ala flexible con control de peso - Weight-Shift Control, Flexible Wing Aircraft Aerodynamics
Una aeronave de control de peso, de ala flexible, consiste en un ala cubierta de tela, a menudo denominada vela, unida a una estructura tubular que tiene ruedas, asientos y un motor y una hélice. La estructura del ala también es tubular, y el revestimiento de tela crea la forma del ala.
La forma del ala varía entre los diferentes modelos de aviones de control de peso que se fabrican, pero un ala en forma de delta es un diseño muy popular. Dentro de la comunidad de aeronaves de control de peso, estas aeronaves suelen denominarse trikes.
Aerodinámica del paracaídas motorizado - Powered Parachute Aerodynamics
Un paracaídas motorizado tiene un carro muy similar al de los aviones de control de peso. Sin embargo, su ala no tiene estructura de soporte ni rigidez y sólo adquiere la forma de una hoja de aire cuando se infla por la ráfaga de aire de la hélice y la velocidad de avance de la aeronave. En la figura, un paracaídas motorizado se aproxima a tierra con el ala totalmente inflada y elevándose por encima del avión.
Cada sección coloreada del ala inflada está formada por celdas que están abiertas en la parte delantera para permitir la entrada de aire y cerradas en la parte trasera para mantener el aire atrapado en su interior. Entre todas las celdas hay agujeros que permiten que el aire fluya de una celda a la siguiente, con el fin de igualar la presión dentro del ala inflada.
El ala está unida al tren de aterrizaje de la aeronave por un gran número de líneas de nylon o kevlar que van desde las puntas del ala hasta el centro. El peso de la aeronave que actúa sobre estas líneas y sus longitudes individuales hacen que el ala inflada tome su forma. Los cabos se unen al cuerpo de la aeronave en un lugar muy cercano al centro de gravedad, y este punto de unión es ajustable para tener en cuenta los cambios de equilibrio con ocupantes de distinto peso.
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