Sección de cola de un avión que contiene estabilizadores.
El empenaje ( / ˌ ɑː m p ɪ ˈ n ɑː ʒ / o / ˈ ɛ m p ɪ n ɪ dʒ / ), también conocido como cola o conjunto de cola , es una estructura en la parte trasera de una aeronave que proporciona estabilidad durante el vuelo. , de forma similar a las plumas de una flecha . [1] [2] [3] El término deriva del verbo francés empenner que significa " emplumar una flecha". [4] La mayoría de los aviones cuentan con un empenaje que incorpora superficies estabilizadoras verticales y horizontales que estabilizan la dinámica de vuelo de guiñada y cabeceo , [1] [2] así como superficies de control de alojamiento .
A pesar de las superficies de control efectivas, muchos de los primeros aviones que carecían de un empenaje estabilizador eran prácticamente imposibles de volar. Incluso los llamados " aviones sin cola " suelen tener una aleta de cola (normalmente un estabilizador vertical ). Los aviones más pesados que el aire sin ningún tipo de empenaje (como el Northrop B-2 ) son raros y generalmente utilizan perfiles aerodinámicos con formas especiales cuyo borde de salida proporciona estabilidad de cabeceo, y alas en flecha hacia atrás , a menudo con diédrico para proporcionar la estabilidad de guiñada necesaria. . En algunos aviones con alas en flecha, la sección del perfil aerodinámico o el ángulo de incidencia pueden cambiar radicalmente hacia la punta.
Estructura
Estructuralmente, el empenaje consta de todo el conjunto de cola, incluyendo la aleta de cola , el plano de cola y la parte del fuselaje a la que estos se unen. [1] [2] En un avión de pasajeros, estas serían todas las superficies de vuelo y control detrás del mamparo de presión trasero .
La sección delantera (generalmente fija) del plano de cola se llama estabilizador horizontal y se utiliza para proporcionar estabilidad de cabeceo. La sección trasera del plano de cola se llama elevador y es un perfil aerodinámico móvil que controla los cambios de cabeceo, el movimiento hacia arriba y hacia abajo del morro del avión. En algunos aviones, el estabilizador horizontal y el elevador son una sola unidad, y para controlar el cabeceo, toda la unidad se mueve como una sola. Esto se conoce como estabilizador o estabilizador de pleno vuelo . [1] [2]
La estructura de cola vertical tiene una sección frontal fija llamada estabilizador vertical , que se utiliza para controlar la guiñada, que es el movimiento del fuselaje de derecha a izquierda del morro del avión. La sección trasera de la aleta vertical es el timón , un perfil aerodinámico móvil que se utiliza para girar el morro del avión hacia la derecha o hacia la izquierda. Cuando se utiliza en combinación con los alerones , el resultado es un viraje inclinado, un viraje coordinado , característica esencial del movimiento de un avión. [1] [2]
Algunos aviones están equipados con un conjunto de cola que tiene bisagras para pivotar en dos ejes delante de la aleta y el estabilizador, en una disposición denominada cola móvil . Todo el empenaje se gira verticalmente para accionar el estabilizador horizontal y hacia los lados para accionar la aleta. [5]
En algunas aeronaves se proporcionan dispositivos de compensación para eliminar la necesidad de que el piloto mantenga una presión constante sobre los controles del timón o del elevador. [5] [6]
El dispositivo de recorte puede ser:
una pestaña de compensación en la parte trasera de los elevadores o timón que actúa para cambiar la carga aerodinámica en la superficie. Generalmente controlado por una rueda de cabina o una manivela. [5] [7]
un estabilizador ajustable en el que el estabilizador puede articularse en su larguero y elevarse de manera ajustable unos pocos grados en incidencia hacia arriba o hacia abajo. Generalmente controlado por una manivela de cabina. [5] [8]
un sistema de ajuste elástico que utiliza un resorte para proporcionar una precarga ajustable en los controles. Generalmente controlado por una palanca de cabina. [5] [6]
una pestaña anti-servo utilizada para recortar algunos elevadores y estabilizadores, así como una mayor sensación de fuerza de control. Generalmente controlado por una rueda de cabina o una manivela. [5]
una pestaña de servo que se utiliza para mover la superficie de control principal, además de actuar como una pestaña de recorte. Generalmente controlado por una rueda de cabina o una manivela. [5]
Los aviones multimotor suelen tener pestañas de ajuste en el timón para reducir el esfuerzo del piloto necesario para mantener el avión recto en situaciones de empuje asimétrico, como operaciones con un solo motor. [7]
Configuraciones de cola
Los diseños de empenaje de aeronaves se pueden clasificar en términos generales según las configuraciones de las aletas y el plano de cola.
Las formas generales de las superficies individuales de la cola (formas en planta del plano de cola, perfiles de aletas) son similares a las formas en planta de las alas .
Aviones de cola
El plano de cola comprende el estabilizador horizontal fijo montado en la cola y el elevador móvil. Además de su forma en planta , se caracteriza por:
Algunas ubicaciones han recibido nombres especiales:
Cola convencional : el estabilizador vertical y los estabilizadores horizontales están montados en la parte trasera del fuselaje. Esta es la configuración más simple que realiza los tres aspectos de la función de una cola: trimado, estabilidad y control. [10] Alrededor del 60% de los diseños de aviones actuales [10] , y alrededor del 80% alguna vez [11] , incorporan este tipo de cola. Se encuentran ejemplos en aviones de todos los tamaños y funciones, desde tipos de aviación general como el omnipresente Cessna 172 hasta los aviones de pasajeros más grandes jamás volados, como el Airbus A380 . Ya en el Blériot VII de 1907 se utilizaban ejemplos de este tipo de cola.
Cola cruciforme : los estabilizadores horizontales están colocados a medio camino del estabilizador vertical, dando la apariencia de una cruz cuando se ve desde el frente. Las colas cruciformes se utilizan a menudo para mantener los estabilizadores horizontales fuera de la estela del motor, evitando al mismo tiempo muchas de las desventajas de unaen T. Los ejemplos incluyen el Hawker Sea Hawk y el Douglas A-4 Skyhawk .
Cola en T : el estabilizador horizontal está montado en la parte superior de la aleta, creando una forma de "T" cuando se ve desde el frente. Las colas en T mantienen los estabilizadores fuera de la estela del motor y brindan un mejor control de cabeceo. Las colas en T tienen una buena relación de planeo y son más eficientes en aviones de baja velocidad. Sin embargo, la cola en T tiene varias desventajas. Es más probable que entre en una pérdida profunda y es más difícil recuperarse de un trompo. Por esta razón, se puede instalar un pequeño estabilizador secundario o cola de cola más abajo, donde estará en aire libre cuando el avión entre en pérdida. [12] Una cola en T debe ser más fuerte y, por lo tanto, más pesada que una cola convencional. Las colas en T también tienden a tener una sección transversal de radar más grande . Los ejemplos incluyen el Gloster Javelin y el McDonnell Douglas DC-9 .
Aletas
La aleta comprende el estabilizador vertical fijo y el timón. Además de su perfil , se caracteriza por:
Número de aletas: normalmente una o dos.
Ubicación de las aletas: en el fuselaje (por encima o por debajo), plano de cola, brazos de cola o alas
Aleta ventral : debajo del fuselaje. A menudo se utiliza además de una aleta convencional como en el ( North American X-15 y Dornier Do 335 ).
Colas V, Y y X
Una alternativa al enfoque de aleta y plano de cola la proporcionan los diseños de cola en V y cola en X. Aquí, las superficies de la cola están dispuestas en ángulos diagonales, y cada superficie contribuye tanto al cabeceo como a la guiñada. Las superficies de control, a veces llamadas timón , actúan de manera diferencial para proporcionar control de guiñada (en lugar del timón) y actúan juntas para proporcionar control de cabeceo (en lugar del timón). [1]
Cola en V: una cola en V puede ser más liviana que una cola convencional en algunas situaciones y producir menos resistencia, como en el entrenador Fouga Magister , el RPV Northrop Grumman RQ-4 Global Hawk y la nave espacial X-37 . Una cola en V también puede tener una firma de radar más pequeña. Otros aviones con cola en V incluyen el Beechcraft Model 35 Bonanza y el Davis DA-2 . Se puede encontrar una ligera modificación de la cola en V en Waiex y Monnett Moni llamada cola en Y.
Cola en V invertida: El Predator no tripulado utiliza una cola en V invertida al igual que el Lazair y el Mini-IMP .
Cola en Y : una cola en V con una aleta vertical inferior adicional (generalmente utilizada para proteger una hélice de popa), como LearAvia Lear Fan
Cola en X: El Lockheed XFV presentaba una cola en "X", que estaba reforzada y equipada con una rueda en cada superficie para que la nave pudiera sentarse sobre su cola y despegar y aterrizar verticalmente.
Cola fuera de borda
Una cola exterior está dividida en dos, con cada mitad montada en un brazo corto justo detrás y fuera de cada punta de ala. Comprende estabilizadores horizontales externos (OHS) y puede incluir o no estabilizadores verticales (aletas) adicionales montados en la pluma. En esta posición, las superficies de la cola interactúan constructivamente con los vórtices de las puntas del ala y, con un diseño cuidadoso, pueden reducir significativamente la resistencia para mejorar la eficiencia, sin aumentar indebidamente las cargas estructurales del ala. [13]
La configuración fue desarrollada por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial por Richard Vogt y George Haag en Blohm & Voss . El Skoda-Kauba SL6 probó el sistema de control propuesto en 1944 y, tras varias propuestas de diseño, se recibió un pedido para el Blohm & Voss P 215 apenas unas semanas antes de que terminara la guerra. [14] [15] La cola exterior reapareció en Scaled Composites SpaceShipOne en 2003 y SpaceShipTwo en 2010. [16]
Aviones sin cola
Un avión sin cola (a menudo sin cola ) tradicionalmente tiene todas sus superficies de control horizontales en la superficie del ala principal. No tiene estabilizador horizontal , ni plano de cola ni plano de proa canard (tampoco tiene una segunda ala en disposición tándem ). Un tipo "sin cola" generalmente todavía tiene una aleta estabilizadora vertical ( estabilizador vertical ) y una superficie de control ( timón ). Sin embargo, la NASA adoptó la descripción "sin cola" para el novedoso avión de investigación X-36 , que tiene un plano delantero canard pero no una aleta vertical. [ cita necesaria ]
La configuración sin cola de mayor éxito ha sido la delta sin cola , especialmente para aviones de combate. [ cita necesaria ]
^ abcdef Crane, Dale: Diccionario de términos aeronáuticos, tercera edición , p. 194. Suministros académicos y de aviación, 1997. ISBN 1-56027-287-2
^ abcde Aviation Publishers Co. Limited, desde cero , p. 10 (27ª edición revisada) ISBN 0-9690054-9-0
^ Asociación de Transporte Aéreo (10 de noviembre de 2011). "Capítulo 5 del manual de la aerolínea ATA: Cómo vuelan los aviones". Archivado desde el original el 10 de noviembre de 2011 . Consultado el 5 de marzo de 2013 .
^ "Empenaje". Diccionarios de Oxford en línea . Diccionarios de Oxford. Archivado desde el original el 22 de julio de 2012 . Consultado el 5 de marzo de 2013 .
^ abcdefg Aviation Publishers Co. Limited, desde cero , p. 14 (27ª edición revisada) ISBN 0-9690054-9-0
^ ab Reichmann, Casco: planeadores voladores , p. 26. Publicaciones Thompson, 1980.
^ ab Transport Canada : Manual de entrenamiento de vuelo, cuarta edición , p. 12. Compañía editorial educativa Gage, 1994. ISBN 0-7715-5115-0
^ Crane, Dale: Diccionario de términos aeronáuticos, tercera edición , p. 524. Suministros académicos y de aviación, 1997. ISBN 1-56027-287-2
^ Anderson, John D., Introducción al vuelo , 5.ª ed., p. 517
^ ab Mohammad H. Sadraey, Diseño de aeronaves: un enfoque de ingeniería de sistemas , Wiley 2013, p.289
^ Snorri Gudmundsson, Diseño de aeronaves de aviación general: métodos y procedimientos aplicados , Elsevier Science 2013, p.483
^ Ralph D. Kimberlin, Pruebas de vuelo de aviones de ala fija , AIAA 2003, p.380.
^ Kurt W. Müller; "Análisis de un diseño de aeronave semi-cola" (tesis de maestría), Escuela Naval de Postgrado, Estados Unidos, 2002.[1] Archivado el 23 de noviembre de 2022 en Wayback Machine .
^ Zdenek Titz y Jaroslav Zazvonil; "Los enanos de Kauba", Flying Review International , noviembre de 1965, páginas 169-172.
^ Pohlmann, Hermann. Chronik Eines Flugzeugwerkes 1932-1945. B&V – Blohm & Voss Hamburgo – HFB Hamburger Flugzeugbau (en alemán). Motor Buch Verlag, 1979 ISBN 3-87943-624-X .
^ Benjamín Darrenougue; "Aircraft Configurations With Outboard Horizontal Stabilizers" (Informe del proyecto del último año), Queens University Belfast, 14 de mayo de 2004.[2]