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Una aeronave de tres superficies o, a veces, una aeronave de tres superficies sustentadoras tiene un plano delantero , un ala central y un plano de cola . La superficie del ala central siempre proporciona sustentación y suele ser la más grande, mientras que las funciones de los planos delantero y trasero pueden variar entre los tipos y pueden incluir sustentación, control y/o estabilidad.
En los aviones civiles, la configuración de tres superficies puede utilizarse para proporcionar características de pérdida seguras y rendimiento en despegues y aterrizajes cortos (STOL). También se afirma que permite minimizar el área total de la superficie del ala, reduciendo la resistencia aerodinámica que la acompaña. En los aviones de combate, esta configuración también puede utilizarse para mejorar la maniobrabilidad tanto antes como después de la pérdida, a menudo junto con el empuje vectorial .
Una de las primeras denominaciones utilizadas en 1911 fue "sistema de tres planos". [1] Los diseños de Fernic de la década de 1920 se denominaban "tándem". Si bien hay dos superficies de sustentación en tándem, el plano de cola forma una tercera superficie horizontal.
Durante los primeros años de la aviación, se volaron varios aviones con superficies auxiliares delanteras y traseras. La cuestión del control frente a la estabilidad no se entendía bien y, por lo general, el control del cabeceo se realizaba en la superficie delantera y la superficie trasera también se elevaba, lo que provocaba inestabilidad en el cabeceo. El Kress Drachenflieger de 1901 y el triplano Dufaux de 1908 no tenían suficiente potencia para despegar. Entre los modelos más exitosos se incluyen el Voisin-Farman I (1907) y el Curtiss No. 1 (1909). Los hermanos Wright también experimentaron con el diseño básico del Flyer en un esfuerzo por obtener tanto controlabilidad como estabilidad, y lo volaron en varias ocasiones primero en configuración canard, luego en configuración de tres superficies y, finalmente, en configuración convencional. [2] [3] Cuando estalló la Primera Guerra Mundial en 1914, el ala principal con una superficie de cola trasera más pequeña se había convertido en la configuración convencional y se volaron pocos modelos de tres superficies durante muchos años. El Fokker V.8 de 1917 y el Caproni Ca.60 Noviplano de 1921 fueron ambos fracasos.
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En la década de 1920, George Fernic desarrolló la idea de dos superficies sustentadoras en tándem, junto con un plano de cola convencional. El pequeño plano delantero estaba muy cargado y, a medida que aumentaba el ángulo de ataque, se diseñó para entrar en pérdida primero, lo que hacía que el morro cayera y permitiera que el avión se recuperara de forma segura sin entrar en pérdida el ala principal. Esta pérdida "suave" proporciona un nivel de seguridad en la pérdida que no suele estar presente en los diseños convencionales. El Fernic T-9 , un monoplano de tres superficies, voló en 1929. Fernic murió en un accidente mientras volaba con su sucesor, el FT-10 Cruisaire. [4]
Es posible lograr una pérdida tan suave con un diseño de canard puro , pero entonces es difícil controlar el cabeceo y pueden desarrollarse oscilaciones a medida que el plano delantero levanta repetidamente el morro, entra en pérdida y se recupera. Además, se debe tener cuidado en el diseño de que la estela turbulenta del plano delantero en pérdida no altere por sí misma el flujo de aire sobre el ala principal lo suficiente como para causar una pérdida significativa de sustentación y anular el momento de cabeceo con el morro hacia abajo. En el diseño de tres superficies, la tercera, la superficie de la cola, no entra en pérdida y proporciona una mejor capacidad de control. [ cita requerida ]
En la década de 1950, James Robertson desarrolló su Skyshark experimental. Se trataba de un diseño ampliamente convencional, pero con una variedad de características, incluido un pequeño plano delantero canard, destinado a proporcionar no solo una pérdida segura sino también un buen rendimiento de despegue y aterrizaje cortos (STOL). El plano delantero permitió lograr el rendimiento STOL sin los altos ángulos de ataque y los peligros acompañantes de pérdida requeridos por los diseños STOL convencionales. La aeronave fue evaluada por el ejército de los EE. UU. [5] El sistema de Robertson se comercializó como el Wren 460 , una avioneta Cessna modificada. Este, a su vez, fue posteriormente autorizado y producido durante la década de 1980 como el Peterson 260SE y con la modificación del plano delantero solo como el 230SE. En 2006, entró en producción una variante reforzada, el Peterson Katmai . Un enfoque ampliamente similar es adoptado por el Eagle-XTS de 1988 [6] y sus derivados, la serie Eagle 150 .
Alrededor de 1979, los diseñadores de aviones militares comenzaron a estudiar configuraciones de tres superficies como una forma de proporcionar una mejor maniobrabilidad y control, especialmente a bajas velocidades y altos ángulos de ataque, como durante el despegue y el combate. [7] En los Estados Unidos, el Grumman X-29 experimental voló en 1984 y un McDonnell Douglas F-15 modificado , el F-15 STOL/MTD , en 1988, pero estos diseños no tuvieron seguimiento. En la Unión Soviética, un Sukhoi Su-27 modificado con planos delanteros canard voló en 1985 [8] y los derivados de este diseño se convirtieron en los únicos tipos militares de tres superficies en entrar en producción.
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También en 1979, Piaggio comenzó los estudios de diseño de un turbohélice civil de tres superficies que, en colaboración con Learjet , surgiría como el Piaggio P.180 Avanti . Este modelo voló por primera vez en 1986 y entró en servicio en 1990, y su producción continúa en la actualidad. En el Avanti, se afirma que la configuración de tres superficies reduce significativamente el tamaño, el peso y la resistencia del ala en comparación con el equivalente convencional. [9]
Dos aviones experimentales que adoptaron esta configuración fueron construidos posteriormente por Scaled Composites bajo la dirección de Burt Rutan y volaron en 1988. El Triumph era un avión a reacción muy ligero de doble turbofán diseñado para Beechcraft . Las pruebas de vuelo validaron el rango de rendimiento previsto. [10] [11] El Catbird era un avión monomotor propulsado por hélice, concebido por Rutan como reemplazo del Beechcraft Bonanza . Tiene el récord mundial de velocidad en un circuito cerrado de 5000 km (3100 mi) sin carga útil de 334,44 km/h (207,81 mph) establecido en 2014. [12]
Algunos aviones a reacción avanzados tienen una configuración de tres superficies, a menudo en conjunción con vectorización de empuje . Esto suele tener como objetivo mejorar el control y la maniobrabilidad, especialmente en ángulos de ataque muy altos más allá del punto de pérdida del ala principal. Algunas maniobras de combate avanzadas, como el Cobra de Pugachev y el Kulbit, se realizaron por primera vez en aviones Sukhoi de tres superficies.
El Grumman X-29 experimental tenía una configuración básica de canard con la cola por delante , con alas inusualmente inclinadas hacia delante y aletas que se extendían hacia atrás desde las raíces del ala principal. Los flaps móviles en los extremos de las aletas lo convertían en un diseño de tres superficies. [13] El X-29 demostró una maniobrabilidad excepcional en ángulos de ataque altos. [14]
En varias variantes del Sukhoi Su-27, por lo demás convencional, se ha visto un diseño más sencillo de tres superficies . Tras la exitosa incorporación de planos delanteros canard a un avión de desarrollo, estos se incorporaron a varias variantes de producción posteriores, entre ellas el Su-33 naval (Su-27K), algunos Su-30, el Su-35 y el Su-37. El Shenyang J-15 chino también hereda la configuración del Su-33.
El McDonnell Douglas F-15 STOL/MTD era un avión F-15 modificado con planos delanteros canard y vectorización de empuje, diseñado para demostrar estas tecnologías tanto para el rendimiento STOL como para la alta maniobrabilidad.
Se afirma que la configuración de tres superficies reduce el área de superficie aerodinámica total en comparación con las configuraciones convencionales y canard, [9] [15] lo que permite reducciones de peso y resistencia.
En la mayoría de los aviones, el centro de presión del ala se mueve hacia adelante y hacia atrás según las condiciones del vuelo. Si no se alinea con el centro de gravedad , se debe aplicar una fuerza correctiva o de compensación para evitar el cabeceo del avión y así mantener el equilibrio. [16]
En un avión convencional, esta fuerza de ajuste de cabeceo se aplica mediante un estabilizador de cola . En muchos diseños modernos, el centro de presión del ala normalmente se encuentra detrás del centro de gravedad, por lo que el estabilizador de cola debe ejercer una fuerza hacia abajo. [17] Cualquier sustentación negativa de este tipo generada por la cola debe ser compensada por sustentación adicional del ala principal, aumentando así el área del ala, la resistencia y los requisitos de peso.
En un avión de tres superficies, las fuerzas de ajuste de cabeceo se pueden compartir, según sea necesario durante el vuelo, entre el plano delantero y el plano de cola. El equilibrio se puede lograr con la sustentación del plano delantero en lugar de la fuerza descendente del plano de cola. Ambos efectos, la fuerza descendente reducida y la fuerza de sustentación adicional, reducen la carga sobre el ala principal.
El Piaggio P.180 Avanti tiene flaps tanto en el ala delantera como en el ala principal. Ambos flaps se despliegan al unísono para mantener la neutralidad de cabeceo durante el despegue y el aterrizaje. [9]
En un avión con canard , para permitir una estabilidad de cabeceo estática natural en vuelo normal, el plano delantero debe proporcionar sustentación. Además, para que el avión tenga características de pérdida seguras , el plano delantero debe entrar en pérdida antes que el ala principal, haciendo que el avión se incline hacia abajo y permitiendo que se recupere. Esto significa que se debe utilizar un margen de seguridad en el área del ala principal para que su coeficiente de sustentación y carga alar máximos nunca se alcancen en la práctica. Esto, a su vez, significa que se debe aumentar el tamaño del ala principal.
En un avión de tres superficies, el estabilizador horizontal actúa como un estabilizador horizontal convencional . En la condición de pérdida, incluso si el ala principal está en pérdida, el estabilizador horizontal puede proporcionar un momento de cabeceo hacia abajo y permitir la recuperación. El ala puede así utilizarse hasta su coeficiente de sustentación máximo, una ventaja que puede traducirse en una reducción de su superficie y peso.
Un plano delantero sustentador se coloca por delante del centro de gravedad, por lo que su momento de sustentación actúa en la misma dirección que cualquier movimiento de cabeceo. Para que la aeronave sea naturalmente estable, el tamaño del plano delantero, la pendiente de sustentación y el brazo de momento deben elegirse de manera que no superen el momento estabilizador proporcionado por el ala y el plano de cola. Las restricciones de estabilidad limitan así la relación de volumen del plano delantero (una medida de su eficacia en términos de equilibrio y estabilidad), lo que a su vez puede limitar su capacidad para compartir las fuerzas de equilibrio de cabeceo como se describió anteriormente.
El tamaño mínimo de las alas sustentadoras de una aeronave está determinado por: el peso de la aeronave, la fuerza requerida para oponerse a la sustentación negativa producida por el estabilizador horizontal, las velocidades de despegue y aterrizaje previstas y el coeficiente de sustentación de las alas.
La mayoría de los aviones modernos utilizan flaps en el borde de salida del ala principal para aumentar el coeficiente de sustentación de las alas durante el despegue y el aterrizaje, lo que permite que el ala sea más pequeña de lo que debería ser de otra manera. Esto puede reducir el peso del ala y siempre reduce la superficie del ala. La reducción de la superficie reduce proporcionalmente la resistencia aerodinámica a todas las velocidades.
Una desventaja del uso de flaps de borde de salida es que producen un momento de cabeceo negativo significativo cuando se utilizan. Para equilibrar este momento de cabeceo, el estabilizador horizontal debe ser algo más grande de lo que sería de otra manera, de modo que pueda producir suficiente fuerza para equilibrar el momento de cabeceo negativo creado por los flaps de borde de salida. Esto, a su vez, significa que el ala principal debe ser algo más grande de lo que tendría que ser de otra manera para equilibrar la mayor sustentación negativa producida por el estabilizador horizontal más grande.
En un avión con canard, el plano delantero puede proporcionar una sustentación positiva en el despegue, reduciendo parte de la fuerza descendente que de otro modo tendría que crear el estabilizador trasero. Sin embargo, el ala principal debe ser lo suficientemente grande no solo para levantar el peso restante del avión en el despegue, sino también para proporcionar un margen de seguridad adecuado para evitar la pérdida de sustentación. En un avión de tres superficies, no existe ninguno de estos inconvenientes y el ala principal se puede reducir en tamaño, lo que también reduce el peso y la resistencia. Se afirma que el área total de todas las superficies del ala de un avión de tres superficies puede ser menor que la de un avión equivalente de dos superficies, lo que reduce tanto el peso como la resistencia.
El área mínima en crucero se puede reducir aún más mediante el uso de dispositivos de alta sustentación convencionales, como los flaps, lo que permite que un diseño de tres superficies tenga un área de superficie mínima en todos los puntos de la envolvente de vuelo. [9]
Entre los ejemplos de aviones de tres superficies de área reducida se incluyen el Piaggio P.180 Avanti y los Scaled Composites Triumph y Catbird . Estos aviones fueron diseñados para exponer un mínimo de área de superficie total a la corriente de aire; [ cita requerida ] reduciendo así la resistencia de la superficie para lograr velocidad y eficiencia de combustible. Varias revisiones comparan la velocidad máxima y el techo de servicio del Avanti con los de los aviones a reacción de gama baja, y reportan una eficiencia de combustible significativamente mejor a velocidad de crucero. [18] [19] Piaggio atribuye este rendimiento en parte al diseño del avión, afirmando una reducción del 34% en el área total del ala en comparación con un diseño convencional. [9] [15]
centro de gravedad sean todos cero, se dice que el avión está en equilibrio , lo que simplemente significa equilibrio estático.