El vuelo estable , vuelo no acelerado o vuelo de equilibrio es un caso especial en la dinámica de vuelo donde la velocidad lineal y angular de la aeronave son constantes en un marco de referencia fijo del cuerpo . [1] Las maniobras básicas de la aeronave, como el vuelo nivelado, los ascensos y descensos y los giros coordinados, se pueden modelar como maniobras de vuelo estable. [2] El vuelo típico de una aeronave consiste en una serie de maniobras de vuelo estable conectadas por breves transiciones aceleradas. [3] Debido a esto, las principales aplicaciones de los modelos de vuelo estable incluyen el diseño de aeronaves, la evaluación del rendimiento de las aeronaves, la planificación del vuelo y el uso de estados de vuelo estable como condiciones de equilibrio alrededor de las cuales se expanden las ecuaciones de dinámica de vuelo.
El análisis del vuelo estacionario utiliza tres marcos de referencia diferentes para expresar las fuerzas y los momentos que actúan sobre la aeronave. Se definen como:
Los ángulos de Euler que unen estos marcos de referencia son:
Las fuerzas que actúan sobre una aeronave en vuelo son el peso , la fuerza aerodinámica y el empuje . [4] El peso es más fácil de expresar en el marco de la Tierra, donde tiene magnitud W y está en la dirección + z E , hacia el centro de la Tierra. Se supone que el peso es constante en el tiempo y constante con la altitud.
Expresando la fuerza aerodinámica en el marco del viento , tiene un componente de arrastre con magnitud D opuesto al vector de velocidad en la dirección − x w , un componente de fuerza lateral con magnitud C en la dirección + y w , y un componente de sustentación con magnitud L en la dirección − z w .
En general, el empuje puede tener componentes a lo largo de cada eje del bastidor de la carrocería. En el caso de las aeronaves de ala fija con motores o hélices fijas en relación con el fuselaje, el empuje suele estar estrechamente alineado con la dirección + x b . Otros tipos de aeronaves, como los cohetes y los aviones que utilizan vectorización del empuje , pueden tener componentes significativos de empuje a lo largo de los otros ejes del bastidor de la carrocería. [4] En este artículo, se supone que las aeronaves tienen un empuje con magnitud T y dirección fija + x b .
El vuelo estable se define como un vuelo en el que los vectores de velocidad lineal y angular de la aeronave son constantes en un marco de referencia fijo del cuerpo, como el marco del cuerpo o el marco del viento. [1] En el marco de la Tierra, la velocidad puede no ser constante ya que el avión puede estar girando, en cuyo caso el avión tiene una aceleración centrípeta en el plano x E - y E , donde es la magnitud de la velocidad aerodinámica real y es el radio de giro.
Este equilibrio se puede expresar a lo largo de una variedad de ejes en una variedad de marcos de referencia. Las ecuaciones tradicionales de vuelo estable se derivan de la expresión de este equilibrio de fuerzas a lo largo de tres ejes: el eje x w , la dirección radial del giro de la aeronave en el plano x E - y E , y el eje perpendicular a x w en el plano x w - z E , [5]
donde g es la aceleración estándar debida a la gravedad .
Estas ecuaciones se pueden simplificar con varias suposiciones que son típicas del vuelo simple de ala fija. Primero, suponga que el deslizamiento lateral β es cero, o vuelo coordinado . Segundo, suponga que la fuerza lateral C es cero. Tercero, suponga que el ángulo de ataque α es lo suficientemente pequeño como para que cos( α )≈1 y sen( α )≈ α , lo cual es típico ya que los aviones entran en pérdida en ángulos de ataque altos. De manera similar, suponga que el ángulo de trayectoria de vuelo γ es lo suficientemente pequeño como para que cos( γ )≈1 y sen( γ )≈ γ , o equivalentemente que los ascensos y descensos se realizan en ángulos pequeños con respecto a la horizontal. Finalmente, suponga que el empuje es mucho menor que la sustentación, T ≪ L . Bajo estas suposiciones, las ecuaciones anteriores se simplifican a [5]
Estas ecuaciones muestran que el empuje debe ser lo suficientemente grande como para cancelar la resistencia y el componente longitudinal del peso. También muestran que la sustentación debe ser lo suficientemente grande como para soportar el peso de la aeronave y acelerarla en los virajes.
Dividiendo la segunda ecuación por la tercera ecuación y resolviendo R se muestra que el radio de viraje se puede escribir en términos de la velocidad aerodinámica real y el ángulo de inclinación.
La velocidad angular constante en el bastidor del fuselaje también genera un equilibrio de momentos. En particular, el momento de cabeceo, que es cero, impone una restricción al movimiento longitudinal de la aeronave que se puede utilizar para determinar la entrada de control del elevador.
En un vuelo longitudinal nivelado y constante, también conocido como vuelo recto y nivelado , el avión mantiene un rumbo, una velocidad aerodinámica y una altitud constantes. En este caso, el ángulo de la trayectoria de vuelo γ = 0 , el ángulo de inclinación μ = 0 y el radio de viraje se vuelven infinitamente grandes, ya que el avión no está girando. Para un vuelo longitudinal nivelado y constante, las ecuaciones de vuelo estable se simplifican a
En esta maniobra de vuelo constante, el empuje contrarresta la resistencia, mientras que la sustentación soporta el peso del avión. Este equilibrio de fuerzas se muestra en el gráfico que aparece al principio del artículo.
La maniobra más general descrita por las ecuaciones de vuelo estable anteriores es un viraje coordinado ascendente o descendente constante. La trayectoria que sigue la aeronave durante esta maniobra es una hélice con z E como eje y una proyección circular sobre el plano x E - y E. [6] Otras maniobras de vuelo estable son casos especiales de esta trayectoria helicoidal.
La definición de vuelo estable también permite otras maniobras que son estables solo instantáneamente si las entradas de control se mantienen constantes. Estas incluyen el alabeo estable, donde hay una velocidad de alabeo constante y distinta de cero, y el ascenso estable, donde hay una velocidad de cabeceo constante pero distinta de cero.
