Un estabilizador vertical o aleta de cola [1] [2] es la parte estática de la cola vertical de una aeronave . [1] El término se aplica comúnmente al conjunto de esta superficie fija y uno o más timones móviles articulados a ella. Su función es proporcionar control, estabilidad y equilibrio en guiñada (también conocida como estabilidad direccional o veleta). Forma parte del empenaje de la aeronave , concretamente de sus estabilizadores .
La cola vertical [3] normalmente se monta en la parte superior del fuselaje trasero, con los estabilizadores horizontales montados en el costado del fuselaje (una configuración denominada "cola convencional"). En su lugar, a veces se utilizan otras configuraciones, como cola en T o cola gemela .
Los estabilizadores verticales se han utilizado ocasionalmente en deportes de motor , como por ejemplo en las carreras de prototipos de Le Mans .
La cola vertical de una aeronave suele consistir en un estabilizador vertical fijo o una aleta sobre la que se monta un timón móvil. De manera similar, se puede montar una pestaña de compensación en el timón. En conjunto, su función es permitir el trimado en la dirección de guiñada (compensar los momentos de guiñada generados por cualquier asimetría en el empuje o la resistencia ), permitir que la aeronave sea controlada en guiñada (por ejemplo, para iniciar el deslizamiento lateral durante un aterrizaje con viento cruzado ), así como así como proporcionar estabilidad en guiñada (veleta o estabilidad direccional). [4]
Cuanto mayor sea su posición alejada del centro de gravedad, más efectiva podrá ser la cola vertical. Por lo tanto, los aviones más cortos suelen presentar colas verticales más grandes; por ejemplo, la cola vertical del corto Airbus A318 es más grande que la de sus homólogos más largos de la familia A320 .
La efectividad de la cola vertical depende de su eficiencia y del coeficiente de volumen de la cola vertical [5] (también llamado relación de volumen [6] ), que adimensionaliza su área y brazo con las dimensiones del ala principal:
(donde los índices y representan la cola vertical y el ala respectivamente, representan el área y normalmente es la cuerda aerodinámica media ). Los valores del coeficiente de cola vertical varían sólo ligeramente de un tipo de avión a otro, con valores extremos que oscilan entre 0,02 (velero) y 0,09 (avión de transporte a reacción). [5]
La eficiencia de la cola es la relación entre la presión dinámica en la cola y la de la corriente libre. La cola tiene su máxima capacidad cuando se sumerge en la corriente libre con una eficiencia de uno. Cuando se sumerge parcialmente en una estela su efectividad se reduce porque la estela tiene una presión dinámica menor que la corriente libre. Es posible que sea necesario aumentar la altura de la aleta para restablecer la eficacia requerida en determinadas condiciones de vuelo. El Panavia Tornado tenía una aleta alta para mayor estabilidad direccional en ángulos de incidencia elevados. [7]
El timón es la superficie de control direccional y generalmente está articulado a la aleta o al estabilizador vertical. Moverlo permite al piloto controlar la guiñada sobre el eje vertical, es decir, cambiar la dirección horizontal hacia la que apunta el morro.
La deflexión máxima del timón suele estar controlada por un limitador de recorrido del timón . El mayor ángulo alcanzable de un timón en una condición de vuelo particular se llama límite de purga. Representa un equilibrio entre las fuerzas aerodinámicas sobre el timón y las fuerzas mecánicas del mecanismo de accionamiento. [8]
Los aviones multimotor, especialmente aquellos con motores montados en las alas, tienen timones grandes y potentes. Se les exige que proporcionen control suficiente después de una falla del motor en el despegue con peso máximo y límite de viento cruzado [9] y capacidad de viento cruzado en despegue y aterrizaje normales. [10]
Para el rodaje y durante el comienzo del despegue, los aviones se dirigen mediante una combinación de movimientos del timón y girando la rueda de morro o la rueda de cola. A velocidades lentas, la rueda de morro o la rueda de cola tienen la mayor autoridad de control, pero a medida que aumenta la velocidad, aumentan los efectos aerodinámicos del timón, lo que hace que el timón sea cada vez más importante para el control de guiñada. En algunos aviones (principalmente aviones pequeños), ambos mecanismos están controlados por los pedales del timón, por lo que no hay diferencia para el piloto. En otros aviones hay un timón especial que controla la dirección del volante y los pedales controlan el timón, y una cantidad limitada de dirección del volante (generalmente 5 grados de dirección de la rueda de morro). Para estos aviones, los pilotos dejan de usar el timón después de alinearse con la pista antes del despegue y comienzan a usarlo después del aterrizaje antes de salir de la pista, para evitar una corrección excesiva con el sensible timón a altas velocidades. Los pedales también se pueden utilizar para pequeñas correcciones mientras se rueda en línea recta, o al entrar o salir de una curva, antes de aplicar el timón, para mantener el giro suave. [ cita necesaria ]
Con los controles en posición neutral, un avión aún puede desviarse suavemente hacia un lado. Esto se corrige mediante la configuración de una superficie de compensación, a menudo una pestaña de compensación separada montada en el timón, pero a veces el timón mismo, para contrarrestar la guiñada y garantizar que el avión vuele en línea recta. [ cita necesaria ]
Cambiar la configuración de una pestaña de compensación ajusta la posición neutral o de descanso de una superficie de control (como un elevador o un timón). A medida que cambia la posición deseada de una superficie de control (correspondiente principalmente a diferentes velocidades), una pestaña de ajuste ajustable permitirá al operador reducir la fuerza manual requerida para mantener esa posición, a cero, si se usa correctamente. Por lo tanto, la pestaña de compensación actúa como una pestaña de servo . Debido a que el centro de presión de la aleta de compensación está más alejado del eje de rotación de la superficie de control que el centro de presión de la superficie de control, el movimiento generado por la lengüeta puede coincidir con el movimiento generado por la superficie de control. La posición de la superficie de control sobre su eje cambiará hasta que el torque de la superficie de control y la superficie de compensación se equilibren entre sí. [ cita necesaria ]
La cola vertical juega un papel determinante en la estabilidad de guiñada, proporcionando la mayor parte del momento de restauración necesario alrededor del centro de gravedad cuando el avión se desliza. La estabilidad de guiñada normalmente se cuantifica utilizando la derivada del coeficiente de momento con respecto al ángulo de guiñada. [6]
El flujo de aire sobre la cola vertical a menudo está influenciado por el fuselaje, las alas y los motores del avión, tanto en magnitud como en dirección. [6] El ala principal y el estabilizador horizontal, si están muy barridos , pueden contribuir significativamente a la estabilidad de guiñada; las alas barridas hacia atrás tienden a aumentar la estabilidad de guiñada. Sin embargo, el barrido del ala y la cola horizontal de un avión convencional no afecta el ajuste del avión en guiñada. [6]
El diedro en el ala principal y la cola horizontal también pueden tener un pequeño efecto en la estabilidad de guiñada estática. Este efecto es complejo y está acoplado con el efecto de barrido y flujo del ala alrededor del fuselaje. [6]
Las hélices , especialmente cuando avanzan de manera que su eje forma un ángulo con la velocidad de la corriente libre , pueden afectar la estabilidad estática de un avión en guiñada. [6]
La cola vertical afecta el comportamiento del avión en alabeo , ya que su centro aerodinámico normalmente se encuentra muy por encima del centro de gravedad del avión. [1] Cuando el avión se desliza hacia la derecha, el viento relativo y la fuerza lateral sobre la cola vertical se traducen en un momento de alabeo en sentido antihorario. [6]
En vuelo supersónico, la cola vertical se vuelve progresivamente menos efectiva a medida que aumenta el número de Mach hasta que la pérdida de estabilidad ya no sea aceptable. [11] La estabilidad se reduce porque la sustentación, o fuerza lateral, generada por la cola se reduce con la velocidad para cada grado de ángulo de deslizamiento lateral (pendiente de la curva de sustentación). Esto se debe a que la distribución de la presión, con ondas de choque y de expansión, es muy diferente de la subsónica. [12] Para lograr la estabilidad requerida a la velocidad máxima de operación de la aeronave, la cola vertical puede ampliarse, como en el F-100 Super Sabre norteamericano (se subestimó el requisito inicial del área de las aletas). Se puede agregar área adicional instalando aletas ventrales (como en las versiones posteriores de mayor velocidad del Vought F-8 Crusader ) o puntas de ala plegables (como en el XB-70 Valkyrie norteamericano ). Si una cola más grande no es aceptable, se pueden usar deflexiones automáticas del timón para aumentar la fuerza lateral de la cola y restaurar la estabilidad direccional. Este método se utilizó en el Avro Arrow . [13]
La cola vertical a veces presenta un filete o aleta dorsal en su base delantera, lo que ayuda a aumentar el ángulo de pérdida de la superficie vertical (lo que resulta en una elevación del vórtice) y de esta manera previene un fenómeno llamado bloqueo del timón o inversión del timón. El bloqueo del timón se produce cuando la fuerza sobre un timón desviado (por ejemplo, en un deslizamiento lateral constante ) se invierte repentinamente cuando la cola vertical entra en pérdida. Esto puede dejar el timón atascado en plena deflexión y el piloto no puede volver a centrarlo. [14] La aleta dorsal se introdujo en la década de 1940, por ejemplo en el Douglas DC-4 de 1942 , anterior a las tracas de las alas de los aviones de combate desarrollados en la década de 1970, como el F-16 . [15]
El timón y la aleta de un avión grande o rápido están sujetos a una fuerza considerable que aumenta con la deflexión del timón. Un caso extremo ocurre con una salida del vuelo controlado, conocida como vuelco, que en el contexto de aleta y timón es un deslizamiento lateral excesivo. Para aviones de transporte grandes, el momento estabilizador necesario para la recuperación proviene de la aleta con poca necesidad de deflexión del timón. Estos aviones no tienen el requisito de soportar deflexiones del timón casi totales en estas circunstancias [16] porque el peso estructural requerido para evitar fallas estructurales los haría comercialmente inviables. La pérdida del conjunto completo de aletas y timón se produjo en el vuelo 587 de American Airlines cuando los pilotos desviaron completamente el timón mientras seguían la estela de un avión muy grande. [17]
Las turbulencias del aire claro provocaron la falla del conjunto completo de aletas y timón en un Boeing B-52 Stratofortress, después de lo cual los pilotos realizaron un aterrizaje exitoso. Los bombarderos B-52 equipados para cargas de ráfagas y maniobras registraron ráfagas de turbulencia de aire claro considerablemente más que el límite de diseño con cargas más altas a 34.000 pies. [18]
La falla de la aleta del prototipo English Electric Lightning T4 fue causada por un acoplamiento de rodillos inercial mientras realizaba giros de alta velocidad. La aleta se amplió, se reforzó y se impusieron limitaciones a la velocidad de balanceo. Sin embargo, el primer T5 también sufrió un fallo en las aletas mientras realizaba pruebas de rodadura rápida con el paquete de cohetes extendido. [19]
Un Lightning perdió su aleta debido a la interacción entre aviones muy próximos a bajo nivel cuando volaba en formación en M 0,97, una rutina de exhibición acrobática. Se impusieron limitaciones, incluida la separación entre aeronaves cuando estaban en formación. [19]
El impacto de las aletas es un problema crítico para los aviones de combate con aletas simples o gemelas porque la vida de fatiga de la estructura de las aletas se reduce por las cargas fluctuantes causadas por los vórtices estallidos que inciden sobre las aletas. La aleta única del Eurofighter Typhoon experimenta cargas de sacudida causadas por vórtices que se originan en el canard y los bordes de ataque del ala en ángulos de ataque elevados. Los lados del aerofreno montado en la parte superior, cuando se desvían, también arrojan vórtices que inciden, después de estallar, en la aleta. El impacto del aerofreno extendido es mayor cuando el ángulo de ataque efectivo del aerofreno es mayor, que para un aerofreno completamente extendido es mayor con un ángulo de ataque bajo del avión y menor al maniobrar. [20] Las aletas gemelas del McDonnell Douglas F/A-18 Hornet están sujetas a golpes debido a la rotura o explosión del vórtice de extensión del borde de ataque (LEX) delante de la cola. [21] La adición de una valla LEX reduce significativamente las sacudidas y aumenta la vida útil de las aletas. [22]
Los aviones con aletas totalmente móviles, pero que no entraron en servicio, fueron el North American F-107 [24] y el BAC TSR-2 . [25]
El Lockheed SR-71 Blackbird y el North American X-15 utilizaron muñones fijos para las aletas y timones para la altura restante. Los timones convencionales habrían sido inadecuados para el SR-71 porque se habrían requerido deflexiones excesivas para el caso con el motor apagado, lo que habría causado una resistencia al equilibrio inaceptable. [26] Las primeras configuraciones propuestas para el X-15 muestran una aleta fija convencional y un timón de arrastre, y una aleta ventral. Esto se cambió a aletas dorsal y ventral, cada una con la mitad exterior actuando como timón. [27]
Los aviones de doble cola tienen dos estabilizadores verticales. Muchos aviones de combate modernos utilizan esta configuración. Los timones gemelos se pueden utilizar en la configuración con marcha baja para un control longitudinal adicional con convergencia o ensanchamiento ( McDonnell Douglas F/A-18 Hornet [28] ). Los timones gemelos también se utilizan como freno de aire, como en el caso del Lockheed Martin F-22 Raptor, que utiliza un timón diferencial, junto con otras deflexiones de la superficie de control, para controlar la velocidad, ya que no tiene freno de aire dedicado. [29]
Una cola gemela puede ser una cola en H, una construcción de doble aleta/timón unida a un solo fuselaje, como el bombardero mediano norteamericano B-25 Mitchell o el Avro Lancaster , o una doble pluma donde el fuselaje trasero consta de dos estructuras de pluma separadas cada una. con una sola aleta y timón unidos por un estabilizador horizontal, como el transporte norteamericano Rockwell OV-10 Bronco o Armstrong Whitworth AW.660 Argosy .
Una variación de la cola gemela, la cola triple tiene tres estabilizadores verticales. El Avro Manchester de la Segunda Guerra Mundial recibió una tercera aleta cuando la aleta gemela original resultó insuficiente. El Lockheed Constellation utilizó tres aletas para darle al avión el área estabilizadora vertical requerida y al mismo tiempo mantener la altura total lo suficientemente baja como para que pudiera caber en los hangares para su mantenimiento.
Una cola en V no tiene estabilizadores verticales u horizontales distintos. Más bien, se fusionan en superficies de control conocidas como timón que controlan tanto el cabeceo como la guiñada. La disposición se parece a la letra V y también se la conoce como "cola de mariposa". El Beechcraft Bonanza Model 35 utiliza esta configuración, al igual que el Lockheed F-117 Nighthawk .
Winglets en la configuración del empujador de canard Rutan VariEze y Rutan Long-EZ , que actúan como dispositivo de punta de ala y estabilizador vertical. Varios otros derivados de estos y otros aviones similares utilizan este elemento de diseño.
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En el Lockheed Jetstar se utiliza un diseño cruciforme inusual . Para el ajuste longitudinal, todo el conjunto de cola gira hacia arriba y hacia abajo 10 grados alrededor de un punto de unión en la parte inferior del larguero trasero de la aleta. [30] [31]
La parte superior de la aleta vertical del A-5 Vigilante norteamericano se pliega hacia un lado debido a la restricción de altura de la plataforma del hangar.
Dispositivos similares a colas verticales se han utilizado en coches como el Jaguar D-type de 1955 o el Lamborghini Veneno de 2013 . En los autos de carreras, su propósito principal es reducir los vuelcos repentinos inducidos por la guiñada a alta velocidad que harían que los autos volcaran debido a la elevación cuando se los somete a ángulos de guiñada extremos durante las curvas o al girar. [ cita necesaria ] Desde 2011, el estabilizador vertical se ha vuelto obligatorio para todos los prototipos de Le Mans recientemente homologados . [32]
Algunos equipos de Fórmula 1 utilizaron un estabilizador vertical como una forma de interrumpir el flujo de aire hacia el alerón trasero reduciendo la resistencia, siendo el sistema más radical el "F-duct" que se encuentra en el McLaren MP4-25 y el Ferrari F10 de 2010 . A petición del conductor, este sistema desviaba el aire desde un conducto situado en la parte delantera del coche a través de un túnel en la aleta vertical hacia el alerón trasero para detenerlo y reducir la resistencia en las rectas en las que no se necesitaba carga aerodinámica . [ cita necesaria ] El sistema fue prohibido para la temporada 2011 de Fórmula 1 . [ cita necesaria ]
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