Un estabilizador de aeronave es una superficie aerodinámica que, por lo general, incluye una o más superficies de control móviles [ 1 ] [2] que proporcionan estabilidad y control longitudinal (cabeceo) y/o direccional (guiñada). Un estabilizador puede presentar una estructura fija o ajustable sobre la que se articulan las superficies de control móviles, o puede ser en sí mismo una superficie completamente móvil, como un estabilizador . Según el contexto, "estabilizador" a veces puede describir solo la parte delantera de la superficie general.
En la configuración convencional de la aeronave, los estabilizadores verticales (aletas) y horizontales ( plano de cola ) separados forman un empenaje ubicado en la cola de la aeronave. Otras configuraciones del empenaje, como la configuración de cola en V , cuentan con estabilizadores que contribuyen a una combinación de estabilización y control longitudinal y direccional.
La estabilidad y el control longitudinal se pueden obtener con otras configuraciones de ala, incluidas las de ala canard , de ala tándem y sin cola .
Algunos tipos de aeronaves se estabilizan con control de vuelo electrónico ; en este caso, superficies fijas y móviles ubicadas en cualquier lugar a lo largo de la aeronave pueden servir como amortiguadores de movimiento activos o estabilizadores.
Un estabilizador horizontal se utiliza para mantener el avión en equilibrio longitudinal, o trimado : [3] ejerce una fuerza vertical a una distancia tal que la suma de los momentos de cabeceo sobre el centro de gravedad es cero. [4] La fuerza vertical ejercida por el estabilizador varía con las condiciones de vuelo, en particular de acuerdo con el coeficiente de sustentación del avión y la deflexión de los flaps del ala , que afectan la posición del centro de presión , y con la posición del centro de gravedad del avión (que cambia con la carga del avión y el consumo de combustible). El vuelo transónico exige exigencias especiales a los estabilizadores horizontales; cuando la velocidad local del aire sobre el ala alcanza la velocidad del sonido, se produce un movimiento repentino hacia atrás del centro de presión .
Otra función de un estabilizador horizontal es proporcionar estabilidad estática longitudinal . La estabilidad se puede definir solo cuando el vehículo está equilibrado; [5] se refiere a la tendencia de la aeronave a volver a la condición equilibrada si se altera. [6] Esto mantiene una actitud constante de la aeronave, con un ángulo de cabeceo invariable en relación con la corriente de aire, sin la intervención activa del piloto. Para garantizar la estabilidad estática de una aeronave con un ala convencional es necesario que el centro de gravedad de la aeronave esté por delante del centro de presión, por lo que un estabilizador colocado en la parte trasera de la aeronave producirá sustentación en dirección descendente.
El elevador sirve para controlar el eje de cabeceo; en el caso de una cola totalmente móvil , todo el conjunto actúa como superficie de control.
La estela ascendente y descendente asociada con la generación de sustentación es la fuente de interacción aerodinámica entre el ala y el estabilizador, lo que se traduce en un cambio en el ángulo de ataque efectivo para cada superficie. La influencia del ala sobre una cola es mucho más significativa que el efecto opuesto y se puede modelar utilizando la teoría de la línea de sustentación de Prandtl ; sin embargo, una estimación precisa de la interacción entre múltiples superficies requiere simulaciones por computadora o pruebas en túnel de viento . [7]
En la configuración convencional, el estabilizador horizontal es un pequeño estabilizador horizontal ubicado en la parte trasera del avión. Esta es la configuración más común.
En muchos aviones, el conjunto del estabilizador consiste en una superficie fija equipada con una superficie de timón de profundidad posterior articulada . Se pueden utilizar aletas de compensación para aliviar las fuerzas de entrada del piloto. Alternativamente, algunos aviones ligeros como el Piper PA-24 Comanche y el Piper PA-28 Cherokee tienen un estabilizador completamente móvil conocido como estabilizador , sin timón de profundidad separado. Los estabilizadores también se encuentran en muchos aviones supersónicos, donde un control de timón de profundidad separado causaría una resistencia inaceptable. [8]
La mayoría de los aviones de pasajeros y de transporte cuentan con un gran plano de cola regulable de movimiento lento que se combina con elevadores que se mueven de forma independiente. Los elevadores son controlados por el piloto o el piloto automático y sirven principalmente para cambiar la actitud del avión, mientras que todo el conjunto se utiliza para ajustar (mantener el equilibrio estático horizontal) y estabilizar el avión en el eje de cabeceo. En el Boeing 737 , el sistema de ajuste del estabilizador ajustable está accionado por un tornillo elevador operado eléctricamente . [9]
Las variantes de la configuración convencional incluyen la cola en T , la cola cruciforme , la cola doble y la cola montada en doble botavara .
En aviones de tres superficies como el Piaggio P.180 Avanti o los Scaled Composites Triumph y Catbird , el plano de cola es un estabilizador como en los aviones convencionales; el plano frontal, llamado foreplane o canard, proporciona sustentación y sirve como superficie de equilibrio.
Algunos de los primeros aviones de tres superficies, como el Curtiss AEA June Bug o el biplano Voisin 1907 , tenían un diseño convencional con una superficie de control de cabeceo delantera adicional que se llamaba "elevator" o, a veces, "stabilisateur". [10] Al carecer de elevadores, los planos de cola de estos aviones no eran lo que ahora se llama estabilizadores convencionales. Por ejemplo, el Voisin tenía un diseño de sustentación en tándem (ala principal y ala trasera) con un plano delantero que no era ni estabilizador ni principalmente sustentador; se llamaba " équilibreur " ("balanceador"), [11] y se usaba como superficie de control de cabeceo y compensación.
En la configuración canard , una pequeña ala, o plano delantero , se ubica delante del ala principal. Algunos autores lo denominan estabilizador [12] [13] [14] [15] o le otorgan solo al plano delantero un papel estabilizador [16] , aunque en lo que respecta a la estabilidad del cabeceo , el plano delantero generalmente se describe como una superficie desestabilizadora [17] , siendo el ala principal la que proporciona el momento estabilizador en el cabeceo [18] [19] [20]
En aeronaves naturalmente inestables, las superficies canard pueden utilizarse como parte activa del sistema de estabilidad artificial y a veces se denominan estabilizadores horizontales. [21]
Los aviones sin cola carecen de un estabilizador horizontal independiente. En un avión sin cola, la superficie estabilizadora horizontal es parte del ala principal. [22] [23] La estabilidad longitudinal en aviones sin cola se logra diseñando el avión de modo que su centro aerodinámico esté detrás del centro de gravedad. Esto generalmente se hace modificando el diseño del ala, por ejemplo, variando el ángulo de incidencia en la dirección de la envergadura ( desplazamiento o giro del ala ), o utilizando perfiles aerodinámicos con comba reflejada .
Un estabilizador vertical proporciona estabilidad direccional (o de guiñada ) y generalmente consta de una aleta fija y un timón de control móvil articulado a su borde trasero. [24] Con menos frecuencia, no hay bisagra y toda la superficie de la aleta está pivotada tanto para la estabilidad como para el control. [25]
Cuando una aeronave se enfrenta a una ráfaga de viento horizontal, la estabilidad de guiñada hace que la aeronave gire hacia el viento, en lugar de girar en la misma dirección. [26]
La geometría del fuselaje, las góndolas del motor y las hélices giratorias influyen en la estabilidad estática lateral y afectan el tamaño requerido del estabilizador. [27]
No todos los aviones tienen un estabilizador vertical. En cambio, el ala en flecha y el diedro pueden proporcionar un grado similar de estabilidad direccional, mientras que el control direccional a menudo se logra añadiendo resistencia al costado del avión hacia el que se debe virar, ya sea en forma de spoilers o alerones divididos.
Aunque el uso de un estabilizador vertical es lo más común, es posible obtener estabilidad direccional sin un estabilizador vertical discreto. Esto ocurre cuando el ala está en flecha hacia atrás y en algunos casos, como por ejemplo en el ala Rogallo que se usa a menudo para alas delta , significa que no se necesita ninguna aleta.
En algunas aeronaves, los estabilizadores horizontales y verticales se combinan en un par de superficies llamadas cola en V. En esta disposición, dos estabilizadores (aletas y timones) se montan a 90–120° entre sí, [nota 1] dando un área proyectada horizontal más grande que la vertical como en la mayoría de las colas convencionales. Las superficies de control móviles se denominan timónes . [29] [nota 2] La cola en V actúa así como estabilizador de guiñada y de cabeceo.
Aunque puede parecer que la configuración de cola en V puede resultar en una reducción significativa del área mojada de la cola , sufre un aumento en la complejidad de control-actuación, [29] así como una interacción aerodinámica compleja y perjudicial entre las dos superficies. [30] Esto a menudo resulta en un aumento del área total que reduce o niega el beneficio original. [29] El avión ligero Beechcraft Bonanza fue diseñado originalmente con una cola en V.
Existen otros diseños combinados. El avión no tripulado General Atomics MQ-1 Predator tiene una cola en V invertida . Las superficies de la cola del Lockheed XFV podrían describirse como una cola en V con superficies que se extendían a través del fuselaje hasta el lado opuesto. El Lear Fan de LearAvia tenía una cola en Y. Todos los diseños de cola doble con un ángulo diedro de cola proporcionarán una combinación de estabilización longitudinal y direccional.
los controles están configurados de modo que las fuerzas resultantes y los momentos sobre el centro de gravedad sean todos cero, se dice que el avión está en equilibrio estático.
que un avión sea estáticamente estable en rotación, cualquier perturbación en el balanceo, cabeceo o guiñada debe resultar en la producción de un momento restaurador que devolverá la aeronave al estado de equilibrio original.
Las superficies de cola totalmente móviles se volvieron interesantes... cuando la teoría de números de Mach altos y las pruebas en túnel de viento transónico revelaron un desempeño deficiente de los controles de tipo flap comunes.
le stabilisateur avant sera supprimé en cours d'année ("el estabilizador delantero se quitará durante el año")
En el primer avión de los hermanos Wright, el estabilizador horizontal estaba colocado delante de las alas.
En algunas aeronaves, la estabilidad y el control del cabeceo se proporcionan mediante una superficie horizontal colocada delante del centro de gravedad.
es el ala principal y no el canard lo que proporciona estabilidad a la configuración ala-canard.