Las cualidades de vuelo son uno de los tres regímenes principales en la ciencia de los ensayos de vuelo , que también incluye el rendimiento y los sistemas. [1] Las cualidades de vuelo implican el estudio y la evaluación de las características de estabilidad y control de una aeronave. Tienen una influencia crítica en la seguridad del vuelo y en la facilidad de control de un avión en vuelo estable y en maniobras.
Para entender la disciplina de las cualidades de vuelo, se debe entender el concepto de estabilidad. La estabilidad solo se puede definir cuando el vehículo está equilibrado; es decir, no hay fuerzas o momentos desequilibrados que actúen sobre el vehículo que hagan que se desvíe del vuelo estable. Si existe esta condición, y si el vehículo se altera, la estabilidad se refiere a la tendencia del vehículo a volver a la condición equilibrada. Si el vehículo tiende inicialmente a volver a una condición equilibrada, se dice que es estáticamente estable. Si continúa acercándose a la condición equilibrada sin sobrepasarla, el movimiento se denomina hundimiento. Si el movimiento hace que el vehículo sobrepase la condición equilibrada, puede oscilar hacia adelante y hacia atrás. Si esta oscilación se amortigua, el movimiento se denomina oscilación amortiguada y se dice que el vehículo es dinámicamente estable. Por otro lado, si el movimiento aumenta en amplitud, se dice que el vehículo es dinámicamente inestable.
La teoría de la estabilidad de los aviones fue elaborada por GH Bryan en Inglaterra en 1904. Esta teoría es esencialmente equivalente a la teoría que se enseña a los estudiantes de aeronáutica en la actualidad y fue un logro intelectual notable teniendo en cuenta que en la época en que Bryan desarrolló la teoría, ni siquiera había oído hablar del primer vuelo de los hermanos Wright. Debido a la complejidad de la teoría y a los tediosos cálculos que se requieren para su uso, los diseñadores de aviones rara vez la aplicaron. Obviamente, para volar con éxito, los aviones sin piloto tenían que ser dinámicamente estables. El avión que volaron los hermanos Wright, y la mayoría de los aviones que volaron después, no eran estables, pero mediante ensayo y error, los diseñadores desarrollaron algunos aviones que tenían cualidades de vuelo satisfactorias. Sin embargo, muchos otros aviones tenían malas cualidades de vuelo, lo que a veces dio lugar a accidentes.
Las cualidades de manejo son aquellas características de un vehículo de vuelo que determinan la facilidad y precisión con la que un piloto puede realizar una tarea de vuelo. [2] Esto incluye la interfaz hombre-máquina. La forma en que los factores particulares del vehículo afectan las cualidades de vuelo se ha estudiado en aeronaves durante décadas, [3] y se han desarrollado estándares de referencia para las cualidades de vuelo tanto de aeronaves de ala fija [4] como de aeronaves de ala rotatoria [5] y ahora son de uso común. Estos estándares definen un subconjunto del espacio de diseño de dinámica y control que proporciona buenas cualidades de manejo para un tipo de vehículo y una tarea de vuelo determinados.
Bryan demostró que las características de estabilidad de los aviones se podían separar en grupos longitudinales y laterales con los movimientos correspondientes llamados modos de movimiento. Estos modos de movimiento eran aperiódicos, lo que significa que el avión se acerca o se aparta de manera constante de una condición de equilibrio, u oscilatorios, lo que significa que el avión oscila alrededor de la condición de equilibrio. Se demostró que los modos longitudinales de un avión estáticamente estable después de una perturbación consisten en una oscilación de período largo llamada oscilación fugoide , generalmente con un período en segundos de aproximadamente un cuarto de la velocidad aerodinámica en millas por hora y una oscilación de período corto con un período de solo unos pocos segundos. El movimiento lateral tenía tres modos de movimiento: un modo aperiódico llamado modo espiral que podía ser una divergencia o hundimiento, un modo aperiódico muy amortiguado llamado hundimiento de balanceo, y una oscilación de período corto, generalmente poco amortiguada, llamada modo de balanceo holandés.
Algunos de los primeros diseñadores de aviones intentaron fabricar aviones que fueran dinámicamente estables, pero se descubrió que los requisitos de estabilidad entraban en conflicto con los de unas cualidades de vuelo satisfactorias. Mientras tanto, no había información disponible que orientara al diseñador sobre qué características debían incorporarse para proporcionar cualidades de vuelo satisfactorias.
En la década de 1930, había una sensación general de que los aviones debían ser dinámicamente estables, pero algunos ingenieros aeronáuticos estaban empezando a reconocer el conflicto entre los requisitos de estabilidad y las cualidades de vuelo. Para resolver esta cuestión, Edward Warner, que trabajaba como consultor de la Douglas Aircraft Company en el diseño del DC-4, un gran avión de transporte de cuatro motores, hizo el primer esfuerzo en los Estados Unidos para escribir un conjunto de requisitos para cualidades de vuelo satisfactorias. El Dr. Warner, miembro del comité principal de la NACA , también solicitó que se realizara un estudio de vuelo para determinar las cualidades de vuelo de un avión según los requisitos sugeridos. Este estudio fue realizado por Hartley A. Soulé de Langley. Titulado Investigación preliminar de las cualidades de vuelo de los aviones , el informe de Soulé mostró varias áreas en las que los requisitos sugeridos necesitaban revisión y mostró la necesidad de más investigación sobre otros tipos de aviones. [6] Como resultado, Robert R. Gilruth inició un programa con Melvin N. Gough como piloto de pruebas jefe.
La técnica para el estudio de los requisitos de las cualidades de vuelo utilizada por Gilruth fue, en primer lugar, instalar instrumentos para registrar magnitudes relevantes, como posiciones y fuerzas de control, velocidades angulares del avión, aceleraciones lineales, velocidad aerodinámica y altitud. A continuación, un piloto de pruebas experimentado realizó un programa de condiciones de vuelo y maniobras específicas. Después del vuelo, se transcribieron los datos de los registros y se correlacionaron los resultados con la opinión del piloto. Este enfoque se consideraría rutinario hoy en día, pero fue una notable contribución original de Gilruth que aprovechó los instrumentos de registro de vuelo ya disponibles en Langley y la variedad de aviones disponibles para pruebas en condiciones comparables.
Una magnitud importante en las mediciones de las cualidades de vuelo en virajes o dominadas es la variación de la fuerza de control sobre la palanca o volante con el valor de la aceleración normal a la dirección de vuelo expresada en unidades g. Esta magnitud se suele denominar fuerza por g.
Una nueva generación de naves espaciales que la NASA está desarrollando actualmente para reemplazar al Transbordador Espacial y devolver a los astronautas a la Luna tendrá capacidad de control manual para varias tareas de la misión, y la facilidad y precisión con que los pilotos puedan ejecutar estas tareas tendrán un efecto importante en el rendimiento, el riesgo de la misión y los costos de entrenamiento. [ cita requerida ] Actualmente no existen estándares de referencia para las cualidades de vuelo de las naves espaciales pilotadas.