La dinámica de vuelo en la aviación y las naves espaciales es el estudio del rendimiento, la estabilidad y el control de los vehículos que vuelan por el aire o en el espacio exterior . [1] Se ocupa de cómo las fuerzas que actúan sobre el vehículo determinan su velocidad y actitud con respecto al tiempo.
En el caso de una aeronave de ala fija , su orientación cambiante con respecto al flujo de aire local está representada por dos ángulos críticos, el ángulo de ataque del ala ("alfa") y el ángulo de ataque de la cola vertical, conocido como ángulo de deslizamiento lateral ("beta"). Un ángulo de deslizamiento lateral se producirá si una aeronave se desvía sobre su centro de gravedad y si la aeronave se desvía lateralmente, es decir, si el centro de gravedad se mueve lateralmente. [2] Estos ángulos son importantes porque son la principal fuente de cambios en las fuerzas y momentos aerodinámicos aplicados a la aeronave.
La dinámica de vuelo de una nave espacial involucra tres fuerzas principales: propulsiva (motor de cohete), gravitacional y resistencia atmosférica. [3] La fuerza propulsiva y la resistencia atmosférica tienen una influencia significativamente menor sobre una nave espacial determinada en comparación con las fuerzas gravitacionales.
La dinámica de vuelo es la ciencia que estudia la orientación y el control de los vehículos aéreos en tres dimensiones. Los parámetros críticos de la dinámica de vuelo son los ángulos de rotación con respecto a los tres ejes principales de la aeronave en torno a su centro de gravedad , conocidos como balanceo , cabeceo y guiñada .
Los ingenieros aeronáuticos desarrollan sistemas de control para la orientación ( actitud ) de un vehículo con respecto a su centro de gravedad . Los sistemas de control incluyen actuadores, que ejercen fuerzas en varias direcciones y generan fuerzas o momentos rotacionales con respecto al centro de gravedad de la aeronave, y por lo tanto hacen girar la aeronave en inclinación, balanceo o guiñada. Por ejemplo, un momento de cabeceo es una fuerza vertical aplicada a una distancia hacia adelante o hacia atrás desde el centro de gravedad de la aeronave , lo que hace que la aeronave se incline hacia arriba o hacia abajo.
En este contexto, el balanceo, el cabeceo y la guiñada se refieren a rotaciones sobre los respectivos ejes a partir de un estado de equilibrio definido. El ángulo de balanceo en equilibrio se conoce como nivel de alas o ángulo de inclinación cero, equivalente a un ángulo de escora nivelado en un barco. La guiñada se conoce como "rumbo".
Un avión de ala fija aumenta o disminuye la sustentación generada por las alas cuando inclina el morro hacia arriba o hacia abajo aumentando o disminuyendo el ángulo de ataque (AOA). El ángulo de alabeo también se conoce como ángulo de inclinación en un avión de ala fija, que normalmente se "inclina" para cambiar la dirección horizontal del vuelo. Un avión está aerodinámico desde el morro hasta la cola para reducir la resistencia, lo que hace que sea ventajoso mantener el ángulo de deslizamiento lateral cerca de cero, aunque los aviones se "deslizan lateralmente" deliberadamente cuando aterrizan con viento cruzado, como se explica en deslizamiento (aerodinámica) .
Las fuerzas que actúan sobre los vehículos espaciales son de tres tipos: fuerza propulsora (generalmente proporcionada por el empuje del motor del vehículo); fuerza gravitacional ejercida por la Tierra y otros cuerpos celestes; y sustentación y resistencia aerodinámicas (cuando se vuela en la atmósfera de la Tierra o de otro cuerpo, como Marte o Venus). La actitud del vehículo debe controlarse durante el vuelo atmosférico propulsado debido a su efecto sobre las fuerzas aerodinámicas y propulsoras. [3] Existen otras razones, no relacionadas con la dinámica del vuelo, para controlar la actitud del vehículo en un vuelo sin motor (por ejemplo, control térmico, generación de energía solar, comunicaciones u observación astronómica).
La dinámica de vuelo de las naves espaciales difiere de la de los aviones en que las fuerzas aerodinámicas tienen un efecto muy pequeño o extremadamente pequeño durante la mayor parte del vuelo del vehículo y no se pueden utilizar para el control de actitud durante ese tiempo. Además, la mayor parte del tiempo de vuelo de una nave espacial suele transcurrir sin propulsión, por lo que la gravedad es la fuerza dominante.