Las cualidades de vuelo son uno de los tres regímenes principales de la ciencia de las pruebas de vuelo , que también incluye el rendimiento y los sistemas. [1] Las cualidades de vuelo implican el estudio y evaluación de las características de estabilidad y control de una aeronave. Tienen una influencia decisiva en la seguridad del vuelo y en la facilidad de controlar 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 sólo se puede definir cuando el vehículo está en equilibrio; es decir, no hay fuerzas o momentos desequilibrados que actúen sobre el vehículo y lo desvíen del vuelo estable. Si esta condición existe, y si el vehículo sufre perturbaciones, la estabilidad se refiere a la tendencia del vehículo a volver a la condición de frenado. Si inicialmente el vehículo tiende a volver a una condición recortada, se dice que es estáticamente estable. Si continúa acercándose a la condición recortada sin sobrepasarse, el movimiento se denomina hundimiento. Si el movimiento hace que el vehículo sobrepase la condición de recorte, 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 hoy en día y fue un logro intelectual notable considerando que en el momento en que Bryan desarrolló la teoría, ni siquiera había He oído hablar del primer vuelo de los hermanos Wright. Debido a la complicación de la teoría y los tediosos cálculos necesarios 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 pilotado por los hermanos Wright, y la mayoría de los aviones volados después, no eran estables, pero mediante prueba y error, los diseñadores desarrollaron algunos aviones que tenían cualidades de vuelo satisfactorias. Muchos otros aviones, sin embargo, tenían malas cualidades de vuelo, lo que a veces provocaba accidentes.
Las cualidades de manejo son aquellas características de un vehículo de vuelo que gobiernan 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 los aviones durante décadas, [3] y se han desarrollado estándares de referencia para las cualidades de vuelo tanto de aviones de ala fija [4] como de aviones de ala giratoria [5]. ahora de uso común. Estos estándares definen un subconjunto del espacio de diseño de control y dinámica 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 diverge constantemente de una condición de compensación, u oscilatorios, lo que significa que el avión oscila alrededor de la condición de compensación. 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 del aire en millas por hora y una oscilación de período corto con un período de sólo unos pocos segundos. El movimiento lateral tenía tres modos de movimiento: un modo aperiódico llamado modo espiral que podría ser una divergencia o hundimiento, un modo aperiódico fuertemente amortiguado llamado hundimiento de balanceo, y una oscilación de período corto, generalmente mal 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 cualidades de vuelo satisfactorias. Mientras tanto, no había información disponible para guiar al diseñador sobre qué características deberían incorporarse para proporcionar cualidades de vuelo satisfactorias.
En la década de 1930, existía 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 cuatrimotor, hizo el primer esfuerzo en Estados Unidos para redactar una serie de requisitos. para cualidades de vuelo satisfactorias. El Dr. Warner, miembro del comité principal de la NACA , también solicitó que se hiciera un estudio de vuelo para determinar las cualidades de vuelo de un avión de acuerdo con 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 realizar más investigaciones sobre otros tipos de aviones. [6] Como resultado, Robert R. Gilruth inició un programa con Melvin N. Gough como piloto de pruebas principal.
La técnica para el estudio de los requisitos de las cualidades de vuelo utilizada por Gilruth fue primero instalar instrumentos para registrar cantidades relevantes como posiciones y fuerzas de control, velocidades angulares del avión, aceleraciones lineales, velocidad del aire y altitud. Luego, 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 contribución original notable 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 cantidad importante en las mediciones de las cualidades de vuelo en giros o pull-ups es la variación de la fuerza de control en la palanca de control o rueda con el valor de aceleración normal a la dirección de vuelo expresado en unidades g. Esta cantidad suele denominarse fuerza por g.
Una nueva generación de naves espaciales que actualmente está desarrollando la NASA para reemplazar el transbordador espacial y llevar a los astronautas a la Luna tendrá capacidad de control manual para varias tareas de la misión, y la facilidad y precisión con la que los pilotos puedan ejecutar estas tareas tendrá un efecto importante en desempeño, riesgo de la misión y costos de capacitación. [ cita necesaria ] Actualmente no existen estándares de referencia para las cualidades de vuelo de naves espaciales pilotadas.