La estabilidad dinámica de una aeronave se refiere a cómo se comporta la aeronave después de haber sido perturbada después de un vuelo constante y sin oscilaciones. [1]
Los movimientos oscilantes se pueden describir mediante dos parámetros, el período de tiempo requerido para una oscilación completa y el tiempo requerido para amortiguar hasta la mitad de amplitud o el tiempo para duplicar la amplitud para un movimiento dinámicamente inestable. El movimiento longitudinal consta de dos oscilaciones distintas, una oscilación de período largo denominada modo fugoide y una oscilación de período corto denominada modo de período corto.
El modo de período más largo, llamado "modo fugoide", es aquel en el que hay una gran variación de amplitud en la velocidad del aire, el ángulo de cabeceo y la altitud, pero casi ninguna variación en el ángulo de ataque. La oscilación fugoide es un lento intercambio de energía cinética (velocidad) y energía potencial (altura) alrededor de algún nivel de energía de equilibrio cuando la aeronave intenta restablecer la condición de equilibrio de vuelo nivelado desde la cual había sido perturbada. El movimiento es tan lento que el impacto de las fuerzas de inercia y de amortiguación es muy leve; sin embargo, a pesar de que las fuerzas de amortiguación son muy débiles, el período es tan largo que el piloto normalmente corrige automáticamente este movimiento sin ser consciente de que la oscilación existe. Normalmente, el período es de 20 a 60 segundos. Esta oscilación generalmente puede ser controlada por el piloto.
Sin un nombre especial, el modo de período más corto se denomina simplemente "modo de período corto". El movimiento es un cabeceo rápido del avión alrededor del centro de gravedad, esencialmente una variación del ángulo de ataque. El modo de período corto es una oscilación con un período de sólo unos pocos segundos que generalmente se ve fuertemente amortiguada por la existencia de superficies de elevación alejadas del centro de gravedad de la aeronave, como una cola horizontal o un canard. El tiempo necesario para amortiguar la amplitud a la mitad de su valor suele ser del orden de 1 segundo. La capacidad de autoamortiguarse rápidamente cuando la palanca se desplaza brevemente es uno de los muchos criterios para la certificación general de aeronaves .
Los modos "direccionales laterales" implican movimientos de balanceo y de guiñada. Los movimientos en uno de estos ejes casi siempre se acoplan con el otro, por lo que los modos generalmente se denominan "modos direccionales laterales". [nota 1]
Hay tres tipos de posibles movimientos dinámicos direccionales laterales: modo de hundimiento de balanceo, modo de espiral y modo de balanceo holandés.
El modo de hundimiento del balanceo es simplemente la amortiguación del movimiento de balanceo. No se crea ningún momento aerodinámico directo que tienda a restaurar directamente el nivel de las alas, es decir, no hay una "fuerza/momento de resorte" de retorno proporcional al ángulo de balanceo. Sin embargo, hay un momento de amortiguación (proporcional a la velocidad de balanceo ) creado por el giro de las alas largas. Esto evita que se acumulen grandes velocidades de balanceo cuando se realizan entradas de control de balanceo o amortigua la velocidad de balanceo (no el ángulo) a cero cuando no hay entradas de control de balanceo.
El modo de balanceo se puede mejorar mediante efectos diédricos provenientes de características de diseño, como alas altas, ángulos diédricos o ángulos de barrido.
El segundo movimiento lateral es un movimiento oscilatorio combinado de balanceo y guiñada llamado balanceo holandés, quizás debido a su similitud con un movimiento de patinaje sobre hielo del mismo nombre realizado por patinadores holandeses; el origen del nombre no está claro. El balanceo holandés puede describirse como una guiñada y balanceo hacia la derecha, seguido de una recuperación hacia la condición de equilibrio, luego un sobrepaso de esta condición y un guiñada y balanceo hacia la izquierda, luego retrocede más allá de la actitud de equilibrio, y así sucesivamente. El período suele ser del orden de 3 a 15 segundos, pero puede variar desde unos pocos segundos para aviones ligeros hasta un minuto o más para aviones de línea. La amortiguación aumenta con una estabilidad direccional grande y un diédrico pequeño y disminuye con una estabilidad direccional pequeña y un diédrico grande. Aunque normalmente es estable en un avión normal, el movimiento puede estar tan ligeramente amortiguado que el efecto es muy desagradable e indeseable. En los aviones con alas en flecha hacia atrás, el balanceo holandés se resuelve instalando un amortiguador de guiñada , en realidad un piloto automático de propósito especial que amortigua cualquier oscilación de guiñada aplicando correcciones del timón. Algunos aviones de ala en flecha tienen un balanceo holandés inestable. Si el balanceo holandés está ligeramente amortiguado o es inestable, el amortiguador de guiñada se convierte en un requisito de seguridad, en lugar de una comodidad para el piloto y el pasajero. Se requieren amortiguadores de guiñada dobles y un amortiguador de guiñada fallido es motivo para limitar el vuelo a altitudes bajas y posiblemente a números de Mach más bajos , donde se mejora la estabilidad del balanceo holandés.
La espiral es inherente. La mayoría de los aviones preparados para vuelos rectos y nivelados, si vuelan con los sticks fijos, eventualmente desarrollarán una caída en espiral cada vez más estricta. [2] Si se entra involuntariamente en una espiral, el resultado puede ser fatal.
Una caída en espiral no es un giro; comienza, no con una pérdida o por un torque, sino con una perturbación aleatoria, aumentando el balanceo y la velocidad del aire. Sin una pronta intervención del piloto, esto puede provocar una falla estructural de la estructura del avión , ya sea como resultado de una carga aerodinámica excesiva o de un vuelo contra el terreno. Inicialmente, el avión da pocos indicios de que algo haya cambiado. La sensación de "abajo" del piloto continúa siendo con respecto a la parte inferior del avión, aunque el avión en realidad se ha desviado cada vez más de la verdadera vertical. En condiciones VFR , el piloto corrige pequeñas desviaciones del nivel utilizando automáticamente el horizonte real, pero en condiciones IMC o de oscuridad las desviaciones pueden pasar desapercibidas: el balanceo aumentará y la sustentación, que ya no es vertical, es insuficiente para sostener el avión. La nariz baja y la velocidad aumenta; La inmersión en espiral ha comenzado.
Digamos que el rollo está hacia la derecha. Se desarrolla un deslizamiento lateral, lo que resulta en un flujo de deslizamiento que es de derecha a izquierda. Ahora examine las fuerzas resultantes una a la vez, llamando a cualquier influencia hacia la derecha guiñada hacia adentro, guiñada hacia la izquierda hacia afuera o rodadura hacia adentro o hacia afuera, según corresponda. El flujo deslizante:
Además, las posiciones verticales relativas del fuselaje y las alas imponen una fuerza aerodinámica, creando un efecto de palanca de entrada si el fuselaje está por encima de las alas, como en una configuración de ala baja; o despliegue si está debajo, como en una configuración de ala alta.
Una hélice que gira bajo potencia influirá en el flujo de aire que la pasa. Su efecto depende del ajuste del acelerador (alto a altas revoluciones, bajo a bajas) y de la actitud del avión.
Por lo tanto, una caída en espiral es el resultado de la compensación de muchas fuerzas que dependen en parte del diseño de la aeronave, en parte de su actitud y en parte de la configuración del acelerador (un diseño susceptible se lanzará en espiral bajo potencia, pero puede que no durante el planeo). .
Un avión en picado tiene más energía cinética (que varía con el cuadrado de la velocidad) que cuando está en línea recta y nivelada. Para volver a la normalidad, la recuperación debe deshacerse de este exceso de energía de forma segura. La secuencia es:
Las oscilaciones pueden ser causadas longitudinal o lateralmente por el chapoteo del combustible, un fenómeno que se sabe que ha afectado a aviones como el Douglas A4D , Lockheed P-80 , Boeing KC-135 , Cessna T-37 y el norteamericano YF-100 . Su efecto es mínimo cuando los tanques de combustible están llenos o casi vacíos: un tanque lleno tiene mucha masa pero poco movimiento, mientras que un tanque casi vacío tiene mayor movimiento pero poca masa. El chapoteo del combustible se puede reducir instalando deflectores en los tanques de combustible; sin embargo, estos aumentan la masa y reducen la capacidad de combustible. [3] : 419