Un estabilizador horizontal , también conocido como plano de cola , es una pequeña superficie sustentadora ubicada en la cola ( empenaje ) detrás de las superficies sustentadoras principales de una aeronave de ala fija , así como de otras aeronaves que no son de ala fija, como helicópteros y autogiros . No todas las aeronaves de ala fija tienen planos de cola. Los aviones con canard , sin cola y de ala volante no tienen un plano de cola separado, mientras que en las aeronaves con cola en V, el estabilizador vertical , el timón , el plano de cola y el elevador se combinan para formar dos superficies diagonales en un diseño en V.
La función del estabilizador es proporcionar estabilidad y control. En particular, el estabilizador ayuda a ajustarse a los cambios en la posición del centro de presión o centro de gravedad causados por cambios en la velocidad y la actitud, el consumo de combustible o la caída de carga o carga útil.
El estabilizador horizontal fijo montado en la cola y el timón de profundidad móvil forman el estabilizador . Además de su forma en planta , se caracteriza por:
A algunos lugares se les han dado nombres especiales:
Un ala con un perfil aerodinámico convencional contribuye negativamente a la estabilidad longitudinal. Esto significa que cualquier perturbación (como una ráfaga de viento) que eleve el morro produce un momento de cabeceo con el morro hacia arriba que tiende a elevar aún más el morro. Con la misma perturbación, la presencia de un estabilizador de cola produce un momento de cabeceo restaurador con el morro hacia abajo, que puede contrarrestar la inestabilidad natural del ala y hacer que el avión sea longitudinalmente estable (de la misma manera que una veleta siempre apunta hacia el viento).
La estabilidad longitudinal de una aeronave puede cambiar cuando se vuela "sin intervención humana", es decir, cuando los controles de vuelo están sujetos a fuerzas aerodinámicas pero no a fuerzas de acción del piloto.
Además de proporcionar una fuerza restauradora (que por sí sola causaría un movimiento oscilatorio), el estabilizador de cola proporciona amortiguación. Esto es causado por el viento relativo que percibe la cola a medida que el avión gira alrededor del centro de gravedad. Por ejemplo, cuando el avión está oscilando, pero está momentáneamente alineado con el movimiento general del vehículo, el estabilizador de cola sigue percibiendo un viento relativo que se opone a la oscilación.
Dependiendo del diseño de la aeronave y del régimen de vuelo, su plano de cola puede crear sustentación positiva o negativa (fuerza descendente). A veces se supone que en una aeronave estable esto siempre será una fuerza descendente neta, pero esto no es cierto. [2]
En algunos diseños pioneros, como el Bleriot XI , el centro de gravedad estaba entre el punto neutro y el estabilizador horizontal, que también proporcionaba sustentación positiva. Sin embargo, esta disposición puede ser inestable y estos diseños a menudo tenían graves problemas de manejo. Los requisitos de estabilidad no se entendieron hasta poco antes de la Primera Guerra Mundial (la época en la que se diseñó el biplano ligero británico Bristol Scout para uso civil, con una cola sustentadora aerodinámica durante toda su producción hasta los primeros años de la Primera Guerra Mundial y el servicio militar británico de 1914 a 1916), cuando se comprendió que mover el centro de gravedad más hacia adelante permitía el uso de un estabilizador horizontal sin sustentación en el que la sustentación nominalmente no es ni positiva ni negativa sino cero, lo que conduce a un comportamiento más estable. [3] Ejemplos posteriores de aeronaves de la Primera Guerra Mundial y en adelante, en los años de entreguerras , que tenían colas de sustentación positiva incluyen, cronológicamente, el Sopwith Camel , el Spirit of St. Louis de Charles Lindbergh , el Gee Bee Model R Racer, todas ellas aeronaves con reputación de ser difíciles de volar, y el biplano de entrenamiento canadiense de dos asientos Fleet Finch , más fácil de volar, que posee una unidad de cola de perfil aerodinámico de fondo plano no muy diferente del anterior Bristol Scout. Pero con cuidado, una cola de sustentación puede estabilizarse. Un ejemplo lo proporciona el interceptor propulsado por cohetes Bachem Ba 349 Natter VTOL , que tenía una cola de sustentación y era estable y controlable en vuelo. [4]
Algunas aeronaves y modos de vuelo pueden requerir que el estabilizador genere una carga aerodinámica sustancial. Esto es particularmente así cuando se vuela lentamente y con un ángulo de ataque (AoA) alto. En algunos tipos, la demanda en este modo de vuelo ha sido tan extrema que ha provocado que el estabilizador entrara en pérdida. En el Gloster Meteor T.7, una pérdida podía ser provocada por turbulencia cuando se desplegaban los frenos de aire. En el McDonnell Douglas F-4 Phantom II, inicialmente ocurrió durante el despegue y la aproximación al aterrizaje, y se instalaron slats de borde de ataque en el estabilizador al revés para mantener un flujo de aire suave y una "sustentación" de carga aerodinámica en un ángulo de ataque alto. El entrenador Pilatus P-3 requirió una quilla ventral para solucionar un efecto similar cuando giraba , mientras que el McDonnell Douglas T-45 Goshawk sufrió un exceso de corriente descendente del ala cuando se desplegaban los flaps , lo que requirió una pequeña superficie "SMURF" fijada al fuselaje, de modo que se alineara con la raíz del borde de ataque del estabilizador en el ángulo crítico. [5]
El uso de una computadora para controlar el elevador permite que aviones aerodinámicamente inestables vuelen de la misma manera.
Los aviones como el F-16 vuelan con estabilidad artificial, lo que tiene como ventaja una reducción significativa de la resistencia aerodinámica causada por el estabilizador de cola y una mejor maniobrabilidad.
A velocidades transónicas, un avión puede experimentar un desplazamiento hacia atrás en el centro de presión debido a la acumulación y el movimiento de las ondas de choque. Esto provoca un momento de cabeceo con el morro hacia abajo llamado Mach tuck . Puede ser necesaria una fuerza de compensación significativa para mantener el equilibrio, y esto se consigue con mayor frecuencia utilizando todo el estabilizador o el plano de cola en vuelo.
Un estabilizador vertical suele tener algún medio que permite al piloto controlar la cantidad de sustentación producida por el estabilizador vertical. Esto, a su vez, provoca un momento de cabeceo hacia arriba o hacia abajo en el avión, que se utiliza para controlar el cabeceo del avión.
Elevador : Un estabilizador vertical convencional normalmente tiene una superficie trasera con bisagras llamada elevador .
Estabilizador o cola totalmente móvil : envuelo transónico , las ondas de choque generadas por la parte delantera del estabilizador hacen que cualquier timón de profundidad quede inutilizable. Los británicos desarrollaron una cola totalmente móvil para el Miles M.52 , pero la primera vez que se vio un vuelo transónico real fue en el Bell X-1 ; Bell Aircraft Corporation había incluido un dispositivo de compensación del timón de profundidad que podía alterar el ángulo de ataque de todo el estabilizador de profundidad. Esto evitó que el programa tuviera que realizar una reconstrucción costosa y que requiriera mucho tiempo. [ cita requerida ]
Los aviones transónicos y supersónicos ahora tienen estabilizadores de cola totalmente móviles para contrarrestar el encogimiento de Mach y mantener la maniobrabilidad cuando vuelan más rápido que el número de Mach crítico . Esta configuración, normalmente llamada estabilizador , a menudo se conoce como estabilizador de cola "totalmente móvil" o "totalmente volador".
Es un error pensar que los aviones con cola siempre llevan cargas en el plano de cola. Normalmente lo hacen, con los flaps abajo y en las posiciones del centro de gravedad hacia adelante, pero con los flaps arriba en el centro de gravedad hacia atrás, las cargas de cola con sustentación alta son frecuentemente positivas (arriba), aunque rara vez se alcanza la capacidad de sustentación máxima de la cola..pág.19pág.20pág.21