Superficies de Control de Vuelo - Flight Control Surfaces
El control direccional de una aeronave de ala fija tiene lugar alrededor de los ejes lateral, longitudinal y vertical por medio de superficies de control de vuelo diseñadas para crear movimiento alrededor de estos ejes. Estos dispositivos de control son superficies articuladas o móviles mediante las cuales se controla la actitud de una aeronave durante el despegue, el vuelo y el aterrizaje. Suelen dividirse en dos grandes grupos:
1) Superficies de control de vuelo primarias o principales y
2) Superficies de control secundarias o auxiliares.
Superficies de control de vuelo primarias - Primary Flight Control Surfaces
Las superficies de control de vuelo primarias en un avión de ala fija incluyen: alerones, elevadores y el timón. Los alerones están fijados al borde de salida de ambas alas y, al moverlos, hacen girar la aeronave alrededor del eje longitudinal.
El elevador está unido al borde de salida del estabilizador horizontal. Cuando se mueve, modifica el cabeceo de la aeronave, que es la actitud sobre el eje horizontal o lateral. El timón está unido al borde de salida del estabilizador vertical. Cuando el timón cambia de posición, la aeronave gira sobre el eje vertical (guiñada).
Las superficies de mando primarias suelen ser similares en su construcción y sólo varían en tamaño, forma y métodos de fijación. En las aeronaves ligeras de aluminio, su estructura suele ser similar a la de un ala totalmente metálica.
Esto es apropiado porque las superficies de control primarias son simplemente dispositivos aerodinámicos más pequeños. Suelen estar fabricadas con una estructura de aleación de aluminio construida en torno a un único larguero o tubo de torsión al que se le colocan las costillas y se fija un revestimiento. En muchos casos, las costillas ligeras se estampan a partir de láminas de aluminio planas. Los agujeros en las costillas aligeran el conjunto.
El revestimiento de aluminio se fija con remaches. La figura ilustra este tipo de estructura, que puede encontrarse en las superficies de control primarias de los aviones ligeros, así como en los aviones medianos y pesados.
Las superficies de control primarias construidas con materiales compuestos también se utilizan habitualmente. Se encuentran en muchas aeronaves pesadas y de alto rendimiento, así como en planeadores, aviones caseros y aeronaves deportivas ligeras. Las ventajas de peso y resistencia sobre la construcción tradicional pueden ser significativas.
Se emplea una gran variedad de materiales y técnicas de construcción. La figura muestra ejemplos de aeronaves que utilizan tecnología de materiales compuestos en las superficies de control de vuelo primarias.
Obsérvese que las superficies de control de las aeronaves con revestimiento de tela suelen tener superficies con revestimiento de tela, al igual que las aeronaves con revestimiento de aluminio (ligeras) suelen tener superficies de control totalmente de aluminio. Es fundamental que las superficies de control primarias estén equilibradas para que no vibren ni se agiten con el viento.
Realizado según las instrucciones del fabricante, el equilibrado suele consistir en asegurar que el centro de gravedad de un dispositivo concreto esté en el punto de articulación o por delante del mismo. Si no se equilibra correctamente una superficie de control, puede producirse un fallo catastrófico. La figura ilustra varias configuraciones de alerones con sus puntos de articulación muy por detrás del borde de ataque. Esta es una característica de diseño común utilizada para evitar el flameo.
Alerones - Ailerons
Los alerones son las principales superficies de control de vuelo que mueven la aeronave alrededor del eje longitudinal. En otras palabras, el movimiento de los alerones en vuelo hace que la aeronave ruede. Los alerones suelen estar situados en el borde de salida de cada una de las alas. Están integrados en el ala y se calculan como parte de la superficie del ala. La figura muestra la ubicación de los alerones en varios diseños de puntas de ala.
Los alerones se controlan mediante un movimiento de lado a lado de la palanca de control en la cabina o una rotación del yugo de control. Cuando el alerón de un ala se desvía hacia abajo, el alerón del ala opuesta se desvía hacia arriba. Esto amplifica el movimiento del avión alrededor del eje longitudinal.
En el ala en la que el borde de fuga del alerón se desplaza hacia abajo, aumenta la comba y la sustentación. Por el contrario, en la otra ala, el alerón levantado disminuye la sustentación. El resultado es una respuesta sensible a la entrada de control para hacer rodar el avión.
La solicitud del piloto para el movimiento de los alerones y el alabeo se transmite desde la cabina de mando a la superficie de control real de diversas maneras, dependiendo de la aeronave. Se puede emplear un sistema de cables y poleas de control, tubos de empuje y tracción, hidráulicos, eléctricos o una combinación de ellos.
Las aeronaves sencillas y ligeras no suelen tener un control de alerones hidráulico o eléctrico fly-by-wire. Estos se encuentran en las aeronaves pesadas y de alto rendimiento. Las aeronaves grandes y algunas de alto rendimiento también pueden tener un segundo conjunto de alerones situados en el borde de salida de las alas. Estos forman parte de un complejo sistema de superficies de control primarias y secundarias que se utilizan para proporcionar control lateral y estabilidad en vuelo.
A bajas velocidades, los alerones pueden ser aumentados por el uso de flaps y spoilers. A altas velocidades, sólo se requiere la deflexión de los alerones interiores para hacer rodar la aeronave, mientras que las otras superficies de control se bloquean o permanecen estacionarias.
Elevador - Elevator
El elevador es la principal superficie de control de vuelo que mueve el avión alrededor del eje horizontal o lateral. Esto hace que la nariz de la aeronave se incline hacia arriba o hacia abajo. El elevador está articulado al borde de salida del estabilizador horizontal y suele abarcar la mayor parte o toda su anchura. Se controla en la cabina empujando o tirando de la palanca de control o del yugo hacia delante o hacia atrás.
Las aeronaves ligeras utilizan un sistema de cables de control y poleas o tubos de empuje y tracción para transferir las entradas de la cabina al movimiento del elevador. Las aeronaves de alto rendimiento y de gran tamaño suelen emplear sistemas más complejos. En estas aeronaves se suele utilizar la energía hidráulica para mover el elevador. En las aeronaves equipadas con controles fly-by-wire, se utiliza una combinación de energía eléctrica e hidráulica.
Timón de Cola - Rudder
El timón es la superficie de control principal que hace que una aeronave se desvíe o se mueva alrededor del eje vertical. Proporciona un control direccional y, por lo tanto, orienta la nariz de la aeronave en la dirección deseada. La mayoría de las aeronaves tienen un solo timón articulado al borde de salida del estabilizador vertical.
Se controla mediante un par de pedales de timón en la cabina. Cuando el pedal derecho se empuja hacia delante, desvía el timón hacia la derecha, lo que mueve la nariz del avión hacia la derecha. El pedal izquierdo está preparado para moverse simultáneamente hacia la popa. Cuando el pedal izquierdo se empuja hacia delante, la nariz de la aeronave se mueve hacia la izquierda.
Al igual que con los demás mandos de vuelo primarios, la transferencia del movimiento de los mandos de la cabina al timón varía en función de la complejidad de la aeronave.
Muchas aeronaves incorporan el movimiento direccional de la rueda de nariz o de cola en el sistema de control del timón para la operación en tierra. Esto permite al operador dirigir la aeronave con los pedales del timón durante el rodaje cuando la velocidad del aire no es lo suficientemente alta para que las superficies de control sean efectivas. Algunos aviones grandes tienen una disposición de timón dividido.
En realidad se trata de dos timones, uno encima del otro. A bajas velocidades, ambos timones se desvían en la misma dirección cuando se pisan los pedales. A velocidades más altas, uno de los timones deja de funcionar, ya que la deflexión de un solo timón es suficiente desde el punto de vista aerodinámico para maniobrar la aeronave.
Superficies de control de vuelo de doble propósito
Los alerones, los elevadores y el timón se consideran superficies de control primarias convencionales. Sin embargo, algunas aeronaves están diseñadas con una superficie de control que puede tener un doble propósito. Por ejemplo, los elevadores realizan las funciones combinadas de los alerones y el elevador.
Una sección de cola horizontal móvil, llamada estabilizador, es una superficie de control que combina la acción del estabilizador horizontal y del elevador. Básicamente, un estabilizador es un estabilizador horizontal que también puede girar sobre el eje horizontal para afectar al cabeceo del avión.
Un timón de dirección combina la acción del timón y del elevador. Esto es posible en aeronaves con empenaje de cola en V, donde no existen los tradicionales estabilizadores horizontal y vertical. En su lugar, dos estabilizadores forman un ángulo hacia arriba y hacia fuera desde el fuselaje de popa en una configuración en "V".
Cada uno de ellos contiene un timón móvil integrado en el borde de fuga. El movimiento de los timones puede alterar el movimiento de la aeronave alrededor del eje horizontal y/o vertical. Además, algunos aviones están equipados con flaperones. Los flaperones son alerones que también pueden actuar como flaps.
Superficies de control secundarias o auxiliares - Secondary or Auxiliary Control Surfaces
Existen varias superficies de control de vuelo secundarias o auxiliares. Sus nombres, ubicaciones y funciones de las de la mayoría de los aviones grandes se enumeran en la figura.
Flaps
Los flaps se encuentran en la mayoría de los aviones. Suelen estar en el interior de los bordes de salida de las alas adyacentes al fuselaje. Los flaps del borde de ataque también son comunes. Se extienden hacia delante y hacia abajo desde el borde de ataque del ala interior.
Los flaps se bajan para aumentar la inclinación de las alas y proporcionar mayor sustentación y control a bajas velocidades. Permiten aterrizar a velocidades más lentas y acortan la cantidad de pista necesaria para el despegue y el aterrizaje. La cantidad de flaps que se extienden y el ángulo que forman con el ala se pueden seleccionar desde la cabina. Normalmente, los flaps pueden extenderse hasta 45-50°.
Los flaps suelen construirse con materiales y con técnicas que se utilizan en los otros perfiles aéreos y superficies de control de un determinado avión. Los flaps de piel y estructura de aluminio son la norma en los aviones ligeros. Los flaps de las aeronaves pesadas y de alto rendimiento también pueden ser de aluminio, pero también es común el uso de estructuras compuestas.
Hay varios tipos de flaps. Los flaps lisos forman el borde de salida del ala cuando el flap está en posición retraída. El flujo de aire sobre el ala continúa sobre las superficies superior e inferior del flap, haciendo que el borde de salida del flap sea esencialmente el borde de salida del ala. El flaps liso está articulado para que el borde de fuga pueda bajarse. Esto aumenta la inclinación del ala y proporciona una mayor sustentación.
Un flap dividido se aloja normalmente bajo el borde de fuga del ala. Por lo general, se trata de una placa metálica plana reforzada que se articula en varios puntos a lo largo de su borde de ataque. La superficie superior del ala se extiende hasta el borde de fuga del flaps.
Cuando se despliega, el borde de fuga del flap se aleja del borde de fuga del ala. El flujo de aire sobre la parte superior del ala sigue siendo el mismo. El flujo de aire por debajo del ala sigue ahora la inclinación creada por el flap dividido bajado, aumentando la sustentación.
Los flaps Fowler no sólo bajan el borde de fuga del ala cuando se despliegan, sino que también se deslizan hacia la popa, aumentando efectivamente la superficie del ala. Esto crea más sustentación gracias al aumento de la superficie, así como a la inclinación del ala.
Cuando está plegado, el flap se retrae por debajo del borde de fuga del ala, de forma similar a un flap dividido. El movimiento de deslizamiento de un flap fowler puede realizarse con un accionamiento de tornillo sin fin y pistas de flaps.
Una versión mejorada del flap fowler es un conjunto de flaps que en realidad contiene más de una superficie aerodinámica. La figura muestra un flaps con tres ranuras. En esta configuración, el flap consta de un flap delantero, un flap medio y un flap de popa. Cuando se despliega, cada sección de flaps se desliza hacia la popa sobre orugas mientras desciende.
Las secciones del flap también se separan dejando una ranura abierta entre el ala y el flap anterior, así como entre cada una de las secciones del flap. El aire de la parte inferior del ala fluye a través de estas ranuras. El resultado es que el flujo laminar en las superficies superiores aumenta. La mayor inclinación y el área efectiva del ala aumentan la sustentación general.
Los aviones pesados suelen tener flaps en el borde de ataque que se utilizan junto con los flaps del borde de fuga. Pueden ser de magnesio mecanizado o tener una estructura de aluminio o de material compuesto.
Aunque no se instalan ni funcionan de forma independiente, su uso con los flaps del borde de fuga puede aumentar en gran medida la inclinación y la sustentación del ala. Cuando se guardan, los flaps del borde de ataque se retraen en el borde de ataque del ala.
Los diferentes diseños de flaps del borde de ataque proporcionan esencialmente el mismo efecto. La activación de los flaps del borde de fuga despliega automáticamente los flaps del borde de ataque, que son impulsados fuera del borde de ataque y hacia abajo, ampliando la comba del ala.
Slats
Otro dispositivo del borde de ataque que amplía la inclinación del ala es el slat. Los slats pueden ser operados independientemente de los flaps con su propio interruptor en la cabina. Los slats no sólo se extienden fuera del borde de ataque del ala, aumentando la comba y la sustentación, sino que la mayoría de las veces, cuando están totalmente desplegados, dejan una ranura entre sus bordes de fuga y el borde de ataque del ala.
Esto aumenta el ángulo de ataque en el que el ala mantendrá su flujo de aire laminar, lo que resulta en la capacidad de volar el avión más lento con una velocidad de pérdida reducida, y aún así mantener el control.
Spoilers y frenos de velocidad - Spoilers and Speed Brakes
Un Spoilers es un dispositivo que se encuentra en la superficie superior de muchos aviones pesados y de alto rendimiento. Se guarda a ras de la superficie superior del ala. Cuando se despliega, se eleva hacia la corriente de aire e interrumpe el flujo de aire laminar del ala, reduciendo así la sustentación.
Los Spoilers se fabrican con materiales y técnicas similares a las de las demás superficies de control de vuelo del avión. A menudo, son paneles planos con núcleo de panal de abeja. A bajas velocidades, los alerones están preparados para funcionar cuando actúan los alerones para ayudar al movimiento lateral y a la estabilidad de la aeronave.
En el ala en la que el alerón se mueve hacia arriba, los Spoilers también se elevan amplificando así la reducción de la sustentación en esa ala. En el ala en la que el alerón se desplaza hacia abajo, los Spoilers permanecen replegados. A medida que aumenta la velocidad de la aeronave, los alerones se vuelven más eficaces y el alerón se desacopla.
Los Spoilers son únicos porque también pueden desplegarse completamente en ambas alas para actuar como frenos de velocidad. La reducción de la sustentación y el aumento de la resistencia pueden reducir rápidamente la velocidad del avión en vuelo.
En la superficie superior de las alas de las aeronaves pesadas y de alto rendimiento también se pueden encontrar paneles de freno de velocidad específicos, similares a los alerones de vuelo.
Están diseñados específicamente para aumentar la resistencia y reducir la velocidad de la aeronave cuando se despliegan. Estos paneles de freno de velocidad no funcionan de forma diferencial con los alerones a baja velocidad.
El control del freno de velocidad en la cabina puede desplegar todas las superficies del alerón y del freno de velocidad por completo cuando se accionan. A menudo, estas superficies también están preparadas para desplegarse en tierra automáticamente cuando se activan los inversores de empuje del motor.
Tabs
La fuerza del aire contra una superficie de control durante la alta velocidad de vuelo puede dificultar el movimiento y el mantenimiento de esa superficie de control en la posición desviada. Una superficie de control también puede ser demasiado sensible por razones similares. Se utilizan varias pestañas diferentes para ayudar con este tipo de problemas. La tabla de la figura resume las distintas tabs y sus usos.
Durante el vuelo, es deseable que el piloto pueda quitar las manos y los pies de los controles y que la aeronave mantenga su condición de vuelo. Las tabs de trim están diseñadas para permitir esto. La mayoría de las tabs de trim son pequeñas superficies móviles situadas en el borde de salida de una superficie de control de vuelo primaria.
Un pequeño movimiento de la tabs en la dirección opuesta a la dirección de la superficie de control de vuelo se desvía, haciendo que el aire golpee la tabs produciendo a su vez una fuerza que ayuda a mantener la superficie de control de vuelo en la posición deseada.
A través de la conexión establecida desde la cabina de mando, la tabs puede ser posicionada de manera que en realidad está sosteniendo la superficie de control en posición en lugar del piloto. Por lo tanto, las tabs del elevador se utilizan para mantener la velocidad de la aeronave, ya que ayudan a mantener el cabeceo seleccionado.
Las tabs del timón pueden ajustarse para mantener la guiñada y el rumbo. Las tabs de los alerones pueden ayudar a mantener las alas niveladas.
Ocasionalmente, una aeronave ligera sencilla puede tener una placa metálica fija unida al borde de salida de un mando de vuelo primario, normalmente el timón. Esto es también una tabs de trim como se muestra en la figura.
Se puede doblar ligeramente en el suelo para trim la aeronave en vuelo a una condición de manos libres cuando se vuela recto y nivelado. La cantidad correcta de flexión sólo se puede determinar volando el avión después de un ajuste. Tenga en cuenta que una pequeña cantidad de flexión suele ser suficiente.
El fenómeno aerodinámico de mover una tabs de compensación en una dirección para hacer que la superficie de control experimente una fuerza que se mueve en la dirección opuesta es exactamente lo que ocurre con el uso de tabs de equilibrio. A menudo, es difícil mover una superficie de control primaria debido a su superficie y a la velocidad del aire que pasa sobre ella.
La desviación de una tabs de equilibrio articulada en el borde de fuga de la superficie de control en la dirección opuesta al movimiento deseado de la superficie de control provoca una fuerza para posicionar la superficie en la dirección adecuada con una fuerza reducida para hacerlo.
Las tabs de equilibrio suelen estar vinculadas directamente a la conexión de la superficie de control, de modo que se mueven automáticamente cuando se produce un movimiento de la superficie de control. También pueden funcionar como tabs de compensación, si son ajustables en la cabina de vuelo.
Un servo tab es similar a un tab de equilibrio en su ubicación y efecto, pero está diseñado para operar la superficie de control de vuelo primaria, no sólo para reducir la fuerza necesaria para hacerlo. Normalmente se utiliza como medio para respaldar el control primario de las superficies de control de vuelo.
En las aeronaves pesadas, las superficies de control grandes requieren demasiada fuerza para ser movidas manualmente y suelen ser desviadas de la posición neutra por medio de actuadores hidráulicos. Estas unidades de control de potencia se señalan a través de un sistema de válvulas hidráulicas conectadas al yugo y a los pedales del timón.
En las aeronaves fly-by-wire, los actuadores hidráulicos que mueven las superficies de control de vuelo se señalizan mediante una entrada eléctrica. En caso de fallo del sistema hidráulico, se puede utilizar la conexión manual a una tabs de servo para desviarla. Esto, a su vez, proporciona una fuerza aerodinámica que mueve la superficie de control primaria.
Una superficie de control puede requerir una fuerza excesiva para moverse sólo en las etapas finales del recorrido. Cuando este es el caso, se puede utilizar una tabs de resorte. Se trata esencialmente de una tabs de servo que no se activa hasta que se hace un esfuerzo para mover la superficie de control más allá de un punto determinado. Cuando se alcanza, un muelle en la línea del varillaje de control ayuda a mover la superficie de control en el resto de su recorrido.
La figura muestra otra forma de ayudar al movimiento de un alerón en un avión grande, llamada panel de equilibrio de alerones. No es visible al acercarse a la aeronave, pero está situado en el varillaje que articula el alerón con el ala.
Los paneles de equilibrio se han construido típicamente con conjuntos de marcos cubiertos de piel de aluminio o con estructuras de nido de abeja de aluminio. El borde de salida del ala, justo por delante del borde de ataque del alerón, está sellado para permitir un flujo de aire controlado dentro y fuera de la zona de la bisagra donde se encuentra el panel de equilibrio.
Cuando el alerón se mueve desde la posición neutral, la presión diferencial se acumula en un lado del panel de equilibrio. Esta presión diferencial actúa sobre el panel de equilibrio en una dirección que ayuda al movimiento del alerón.
Para movimientos ligeros, desviar la tabs de control en el borde de salida del alerón es lo suficientemente fácil como para no requerir una ayuda significativa de la tabs de equilibrio. (Sin embargo, a medida que se requiere una mayor deflexión, la fuerza que resiste el movimiento de la tabs de control y de los alerones es mayor y se necesita el aumento de la tabs de equilibrio.
Las juntas y la geometría de montaje permiten que la presión diferencial del flujo de aire en el panel de equilibrio aumente a medida que se incrementa la deflexión de los alerones. Esto hace que la resistencia que se siente al mover los mandos de los alerones sea relativamente constante.
Los tabs antiservo, como su nombre indica, son como las tabs de los servos pero se mueven en la misma dirección que la superficie de control principal. En algunos aviones, especialmente los que tienen un estabilizador horizontal móvil, la entrada a la superficie de control puede ser demasiado sensible.
Una tabs antiservo atada a través del enlace de control crea una fuerza aerodinámica que aumenta el esfuerzo necesario para mover la superficie de control. Esto hace que el vuelo del avión sea más estable para el piloto. Si se desvía en la misma dirección que el movimiento deseado del estabilizador, aumenta el esfuerzo necesario para la superficie de control.
Winglets
Puede haber otras estructuras visibles en las alas de una aeronave que contribuyen al rendimiento. Los winglets, los generadores de vórtices, las vallas de pérdida y los sellos de separación son características comunes de las alas. En los siguientes párrafos se ofrecen descripciones introductorias de cada uno de ellos.
Un winglet es una elevación vertical evidente de la punta del ala que se asemeja a un estabilizador vertical. Es un dispositivo aerodinámico diseñado para reducir la resistencia creada por los vórtices de la punta del ala en vuelo. Los winglets, que suelen estar hechos de aluminio o materiales compuestos, pueden diseñarse para optimizar el rendimiento a la velocidad deseada.
Los generadores de vórtices son pequeñas secciones aerodinámicas que suelen ir unidas a la superficie superior de un ala. Están diseñados para promover un flujo de aire laminar positivo sobre el ala y las superficies de control. Normalmente están hechos de aluminio y se instalan en una o varias líneas a lo largo de la envergadura, los vórtices creados por estos dispositivos se arremolinan hacia abajo ayudando a mantener la capa límite de aire que fluye sobre el ala. También pueden encontrarse en el fuselaje y el empenaje. La figura muestra los generadores de vórtices únicos en un ala del Symphony SA-160.
A menudo, puede existir un hueco entre el borde de fuga estacionario de un ala o estabilizador y la(s) superficie(s) de control móvil(s). En ángulos de ataque elevados, el aire de alta presión procedente de la superficie inferior del ala puede interrumpirse en este hueco. El resultado puede ser un flujo de aire turbulento, que aumenta la resistencia.
También hay una tendencia a que parte del aire del límite inferior del ala entre en el hueco e interrumpa el flujo de aire de la superficie superior del ala, lo que a su vez reduce la sustentación y la capacidad de respuesta de la superficie de control.
El uso de sellos de separación es común para promover un flujo de aire suave en estas áreas de separación. Los sellos de separación pueden estar hechos de una amplia variedad de materiales que van desde el aluminio y la tela impregnada hasta la espuma y el plástico.
Una barrera en la superficie superior del ala, llamada valla de pérdida, se utiliza para detener el flujo de aire en sentido longitudinal.
Durante el vuelo a baja velocidad, esto puede mantener un flujo de aire adecuado en el sentido de la cuerda, reduciendo la tendencia a la pérdida del ala. La valla, que suele ser de aluminio, es una estructura fija muy común en las alas de barrido, que tienen un flujo de aire límite natural que tiende a lo largo de la envergadura.
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