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Un avión de tres superficies o, a veces, un avión de tres superficies de elevación tiene un plano de proa , un ala central y un plano de cola . La superficie central del ala siempre proporciona sustentación y suele ser la más grande, mientras que las funciones de los planos delantero y trasero pueden variar según el tipo y pueden incluir sustentación, control y/o estabilidad.
En aeronaves civiles, la configuración de tres superficies puede usarse para brindar características de pérdida segura y desempeño de despegue y aterrizaje cortos (STOL). También se afirma que permite minimizar la superficie total del ala, reduciendo el arrastre de la piel que lo acompaña. En aviones de combate, esta configuración también se puede utilizar para mejorar la maniobrabilidad tanto antes como más allá de la pérdida, a menudo junto con un empuje vectorial .
Una de las primeras designaciones utilizadas en 1911 fue "sistema de tres planos". [1] Los diseños de Fernic de la década de 1920 se denominaron "tándem". Si bien hay dos superficies de ala elevadoras en tándem, el plano de cola forma una tercera superficie horizontal.
Durante los años pioneros de la aviación, varios aviones volaban con superficies auxiliares tanto delanteras como traseras. La cuestión del control frente a la estabilidad no se entendía bien y, por lo general, el control del cabeceo se realizaba en la superficie delantera y la superficie trasera también se elevaba, lo que provocaba inestabilidad en el cabeceo. El Kress Drachenflieger de 1901 y el triplano Dufaux de 1908 no tenían potencia suficiente para despegar. Los modelos más exitosos incluyeron el Voisin-Farman I (1907) y el Curtiss No. 1 (1909). Los hermanos Wright también experimentaron con el diseño básico del Flyer en un esfuerzo por obtener controlabilidad y estabilidad, volándolo en varios momentos en configuraciones primero canard, luego tres de superficie y finalmente convencional. [2] [3] Al estallar la Primera Guerra Mundial en 1914, el ala principal con una superficie de cola trasera más pequeña se había convertido en la configuración convencional y pocos tipos de tres superficies volarían durante muchos años. El Fokker V.8 de 1917 y el Caproni Ca.60 Noviplano de 1921 fueron ambos fracasos.
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En la década de 1920, George Fernic desarrolló la idea de dos superficies de elevación en tándem, junto con un plano de cola convencional. El pequeño avión de proa estaba muy cargado y, a medida que aumentaba el ángulo de ataque, se diseñó para entrar en pérdida primero, lo que provocó que el morro cayera y permitiera que el avión se recuperara de forma segura sin que el ala principal entrara en pérdida. Este puesto "suave" proporciona un nivel de seguridad en el puesto que normalmente no está presente en los diseños convencionales. El Fernic T-9 , un monoplano de tres superficies, voló en 1929. Fernic murió en un accidente mientras volaba su sucesor el FT-10 Cruisaire. [4]
Es posible lograr una pérdida tan suave con un diseño de canard puro , pero entonces es difícil controlar el cabeceo y se pueden desarrollar oscilaciones a medida que el avión de proa levanta repetidamente el morro, se detiene y se recupera. Además, se debe tener cuidado en el diseño de que la estela turbulenta del avión de proa estancado no perturbe el flujo de aire sobre el ala principal lo suficiente como para causar una pérdida significativa de sustentación y anular el momento de cabeceo con el morro hacia abajo. En el diseño de tres superficies, la tercera superficie de cola no se cala y proporciona una mejor capacidad de control. [ cita necesaria ]
En la década de 1950, James Robertson desarrolló su Skyshark experimental. Se trataba de un diseño ampliamente convencional, pero con una variedad de características, incluido un pequeño plano delantero canard, destinado a ofrecer no sólo una pérdida segura sino también un buen rendimiento en despegues y aterrizajes cortos (STOL). El plano de proa permitió lograr el rendimiento de STOL sin los altos ángulos de ataque y los peligros de pérdida que requieren los diseños STOL convencionales. El avión fue evaluado por el ejército estadounidense. [5] El sistema de Robertson se comercializó como Wren 460 , un avión ligero Cessna modificado. Este, a su vez, fue posteriormente autorizado y producido durante la década de 1980 como Peterson 260SE y con la modificación del plano de proa sólo como 230SE. En 2006 entró en producción una variante robusta, el Peterson Katmai . El Eagle-XTS de 1988 [6] y sus derivados, la serie Eagle 150 , adoptan un enfoque muy similar.
Alrededor de 1979, los diseñadores de aviones militares comenzaron a estudiar configuraciones de tres superficies como una forma de proporcionar mayor maniobrabilidad y control, especialmente a bajas velocidades y altos ángulos de ataque, como durante el despegue y el combate. [7] En los Estados Unidos, el Grumman X-29 experimental voló en 1984 y un McDonnell Douglas F-15 modificado , el F-15 STOL/MTD , en 1988, pero estos diseños no tuvieron seguimiento. En la Unión Soviética, un Sukhoi Su-27 modificado con planos delanteros canard voló en 1985 [8] y los derivados de este diseño se convirtieron en los únicos tipos militares de tres superficies que entraron en producción.
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También en 1979, Piaggio inició los estudios de diseño de un biturbohélice civil de tres superficies que, en colaboración con Learjet , surgiría como el Piaggio P.180 Avanti . Este tipo voló por primera vez en 1986 y entró en servicio en 1990, y la producción continúa en la actualidad. En el Avanti, se afirma que la configuración de tres superficies reduce significativamente el tamaño, el peso y la resistencia del ala en comparación con el equivalente convencional. [9]
Posteriormente, Scaled Composites construyó dos aviones experimentales que adoptaron esta configuración bajo la dirección de Burt Rutan y volaron en 1988. El Triumph era un avión a reacción muy ligero con doble turboventilador diseñado para Beechcraft . Las pruebas de vuelo validaron el rango de rendimiento objetivo. [10] [11] El Catbird era un avión monomotor propulsado por hélice, concebido por Rutan como reemplazo del Beechcraft Bonanza . Tiene el récord mundial de velocidad en un circuito cerrado de 5.000 km (3.100 millas) sin carga útil de 334,44 km/h (207,81 mph) establecido en 2014. [12]
Algunos aviones a reacción avanzados tienen una configuración de tres superficies, a menudo junto con vectorización de empuje . Por lo general, esto tiene como objetivo mejorar el control y la maniobrabilidad, especialmente en ángulos de ataque muy altos más allá del punto de pérdida del ala principal. Algunas maniobras de combate avanzadas, como la Cobra de Pugachev y el Kulbit, se realizaron por primera vez en aviones Sukhoi de tres superficies.
El Grumman X-29 experimental tenía una configuración básica de canard de "cola primero" , con inusuales alas barridas hacia adelante y tracas que se extendían hacia atrás desde las raíces del ala principal. Las aletas móviles en los extremos de las tracas lo convirtieron efectivamente en un diseño de tres superficies. [13] El X-29 demostró una excepcional maniobrabilidad de ataque en ángulo alto. [14]
Un diseño más sencillo de tres superficies se ve en varias variantes del Sukhoi Su-27, por lo demás convencional . Tras la exitosa incorporación de aviones delanteros canard a un avión de desarrollo, estos se incorporaron en una serie de variantes de producción posteriores, incluido el Su-33 naval (Su-27K), algunos Su-30, el Su-35 y el Su-37. El Shenyang J-15 chino también hereda la configuración del Su-33.
El McDonnell Douglas F-15 STOL/MTD era un fuselaje F-15 modificado con planos delanteros canard y vectorización de empuje, diseñado para demostrar estas tecnologías tanto para el rendimiento STOL como para la alta maniobrabilidad.
Se afirma que la configuración de tres superficies reduce la superficie aerodinámica total en comparación con las configuraciones convencional y canard, [9] [15] permitiendo así reducciones de resistencia y peso.
En la mayoría de los aviones, el centro de presión del ala se mueve hacia adelante y hacia atrás según las condiciones de vuelo. Si no se alinea con el centro de gravedad , se debe aplicar una fuerza correctiva o de compensación para evitar el cabeceo de la aeronave y así mantener el equilibrio. [dieciséis]
En un avión convencional, esta fuerza de ajuste del cabeceo se aplica mediante un plano de cola . En muchos diseños modernos, el centro de presión del ala normalmente está detrás del centro de gravedad, por lo que el plano de cola debe ejercer una fuerza hacia abajo. [17] Cualquier sustentación negativa generada por la cola debe compensarse con sustentación adicional del ala principal, aumentando así los requisitos de área del ala, resistencia y peso.
En un avión de tres superficies, las fuerzas de compensación del cabeceo se pueden compartir, según sea necesario en vuelo, entre el plano de proa y el plano de cola. El equilibrio se puede lograr con sustentación desde el plano de proa en lugar de fuerza aerodinámica desde el plano de cola. Ambos efectos, la carga aerodinámica reducida y la fuerza de elevación adicional, reducen la carga sobre el ala principal.
El Piaggio P.180 Avanti tiene flaps tanto en el ala delantera como en el ala principal. Ambos flaps se despliegan al mismo tiempo para mantener la neutralidad del tono durante el despegue y el aterrizaje. [9]
En un avión canard , para permitir la estabilidad natural del cabeceo estático en vuelo normal, el avión de proa debe proporcionar sustentación. Además, para que la aeronave tenga características de pérdida segura , el avión de proa debe entrar en pérdida antes que el ala principal, inclinando la aeronave hacia abajo y permitiendo que se recupere. Esto significa que se debe utilizar un margen de seguridad en el área del ala principal para que en la práctica nunca se alcance su máximo coeficiente de sustentación y carga alar. Esto, a su vez, significa que es necesario aumentar el tamaño del ala principal.
En un avión de tres superficies, el plano de cola actúa como un estabilizador horizontal convencional . En la condición de pérdida, incluso si el ala principal está en pérdida, el plano de cola puede proporcionar un momento de descenso y permitir la recuperación. De este modo, el ala puede utilizarse hasta su máximo coeficiente de sustentación, ventaja que puede traducirse en una reducción de su superficie y de su peso.
Un plano delantero de elevación se coloca delante del centro de gravedad, por lo que su momento de elevación actúa en la misma dirección que cualquier movimiento de cabeceo. Si la aeronave va a ser naturalmente estable, el tamaño del plano de proa, la pendiente de elevación y el brazo de momento deben elegirse de modo que no superen el momento estabilizador proporcionado por el ala y el plano de cola. Las restricciones de estabilidad limitan así la relación de volumen del plano de proa (una medida de su efectividad en términos de equilibrio y estabilidad), lo que a su vez puede limitar su capacidad para compartir las fuerzas de equilibrio de cabeceo como se describió anteriormente.
El tamaño mínimo de las alas sustentadoras de una aeronave está determinado por: el peso de la aeronave, la fuerza requerida para oponerse a la sustentación negativa producida por el estabilizador horizontal, las velocidades de despegue y aterrizaje previstas y el coeficiente de sustentación de las alas. .
La mayoría de los aviones modernos utilizan flaps de borde de salida en el ala principal para aumentar el coeficiente de sustentación del ala durante el despegue y el aterrizaje; permitiendo así que el ala sea más pequeña de lo que debería ser de otro modo. Esto puede reducir el peso del ala y siempre reduce la superficie del ala. La reducción de la superficie reduce proporcionalmente el arrastre de la piel a todas las velocidades.
Un inconveniente del uso de flaps de borde de salida es que producen un momento de cabeceo negativo significativo cuando están en uso. Para equilibrar este momento de cabeceo, el estabilizador horizontal debe ser algo más grande de lo que sería de otro modo, de modo que pueda producir suficiente fuerza para equilibrar el momento de cabeceo negativo creado por los flaps del borde de salida. Esto, a su vez, significa que el ala principal debe ser algo más grande de lo que tendría que ser de otro modo para equilibrar la mayor sustentación negativa producida por el estabilizador horizontal más grande.
En un avión canard, el avión delantero puede proporcionar sustentación positiva en el despegue, reduciendo parte de la fuerza descendente que de otro modo tendría que crear el estabilizador trasero. Sin embargo, el ala principal debe ser lo suficientemente grande no sólo para levantar el peso restante del avión en el despegue, sino también para proporcionar un margen de seguridad adecuado para evitar la pérdida. En un avión de tres superficies, ninguna de estas desventajas está presente y el ala principal puede reducirse de tamaño, reduciendo así también el peso y la resistencia. Se afirma que el área total de todas las superficies de las alas de un avión de tres superficies puede ser menor que la del avión equivalente de dos superficies, reduciendo así tanto el peso como la resistencia.
El área mínima en crucero se puede reducir aún más mediante el uso de dispositivos convencionales de gran sustentación, como flaps, lo que permite que un diseño de tres superficies tenga una superficie mínima en todos los puntos de la envolvente de vuelo. [9]
Ejemplos de aviones de tres superficies de área reducida incluyen el Piaggio P.180 Avanti y los Scaled Composites Triumph y Catbird . Estos aviones fueron diseñados para exponer un mínimo de superficie total al rebufo; [ cita necesaria ] reduciendo así la resistencia de la superficie para lograr velocidad y eficiencia de combustible. Varias revisiones comparan la velocidad máxima y el techo de servicio del Avanti con los de los aviones a reacción de gama baja, e informan una eficiencia de combustible significativamente mejor a velocidad de crucero. [18] [19] Piaggio atribuye este rendimiento en parte al diseño del avión, afirmando una reducción del 34% en el área total del ala en comparación con un diseño convencional. [9] [15]
Cuando los controles se ajustan de manera que las fuerzas resultantes y los momentos alrededor del centro de gravedad sean cero, se dice que la aeronave está en equilibrio , lo que simplemente significa equilibrio estático.