Diedro (aeronáutica)

En aeronáutica, diédrico es el ángulo entre las alas (o superficies de cola) izquierda y derecha de un avión. "Diédrico" También se utiliza para describir el efecto del deslizamiento lateral sobre el balanceo de la aeronave.

Ángulo diédrico es el ángulo hacia arriba desde la horizontal de las alas o el plano de cola de un avión de ala fija. "ángulo anédrico" es el nombre que se le da al ángulo diédrico negativo, es decir, cuando existe un ángulo hacia abajo con respecto a la horizontal de las alas o empenaje de un avión de ala fija.

El ángulo diédrico tiene una fuerte influencia en el efecto diédrico, que lleva su nombre. El efecto diédrico es la cantidad de momento de balanceo producido en proporción a la cantidad de deslizamiento lateral. El efecto diédrico es un factor crítico en la estabilidad de una aeronave alrededor del eje de balanceo (el modo espiral). También es pertinente a la naturaleza de la oscilación de alabeo holandés de un avión y a la maniobrabilidad alrededor del eje de alabeo.

Diédrico longitudinal es un término comparativamente oscuro relacionado con el eje de cabeceo de un avión. Es el ángulo entre el eje de sustentación cero del ala y el eje de sustentación cero de la cola horizontal. El diédrico longitudinal puede influir en la naturaleza de la controlabilidad sobre el eje de cabeceo y la naturaleza de la oscilación en modo fugoide de un avión.

Cuando el término "diédrico" (de un avión) se usa solo, generalmente significa "ángulo diédrico". Sin embargo, el contexto puede indicar de otro modo que el "efecto diedral" es el significado pretendido.

Ángulo diédrico versus efecto diédrico

El ángulo diédrico es el ángulo hacia arriba desde la horizontal de las alas de un avión de ala fija, o de cualquier par de superficies nominalmente horizontales en cualquier avión. El término también puede aplicarse a las alas de un pájaro. El ángulo diédrico también se utiliza en algunos tipos de cometas, como las cometas de caja. Las alas con más de un cambio de ángulo a lo largo de toda la envergadura se llaman poliédricas.

El ángulo diédrico tiene importantes efectos estabilizadores en los cuerpos voladores porque tiene una fuerte influencia en el efecto diédrico.

El efecto diédrico de una aeronave es un momento de rodadura resultante de que el vehículo tenga un ángulo de deslizamiento lateral distinto de cero. Aumentar el ángulo diédrico de un avión aumenta el efecto diédrico sobre él. Sin embargo, muchos otros parámetros de la aeronave también tienen una fuerte influencia en el efecto diédrico. Algunos de estos factores importantes son: el barrido del ala, el centro de gravedad vertical y la altura y el tamaño de cualquier elemento en un avión que cambie su fuerza lateral a medida que cambia el deslizamiento lateral.

Diedro longitudinal

El ángulo diédrico en un avión casi siempre implica el ángulo entre dos superficies pares, una a cada lado del avión. Incluso entonces, casi siempre es entre las alas izquierda y derecha. Sin embargo, matemáticamente diédrico significa el ángulo entre cualquier dos planos. Así, en aeronáutica, en un caso, el término "diédrico" se aplica para significar la diferencia de ángulos entre dos superficies de adelante hacia atrás:

Diédrico longitudinal es la diferencia entre el ángulo de incidencia de la cuerda de la raíz del ala y el ángulo de incidencia de la cuerda de la raíz horizontal de la cola.

Diédrico longitudinal también puede significar el ángulo entre el eje de sustentación cero del ala y el eje de sustentación cero de la cola horizontal en lugar de entre las cuerdas de raíz de las dos superficies. Este es el uso más significativo porque las direcciones de elevación cero son pertinentes para el ajuste y la estabilidad, mientras que las direcciones de las cuerdas fundamentales no lo son.

Esta medida también se conoce a menudo como decalaje.

Historia

En geometría, el ángulo diédrico es el ángulo entre dos planos. El uso en aviación difiere ligeramente del uso en geometría. En aviación, el uso "diedral" evolucionó para significar el ángulo positivo hacia arriba entre las alas izquierda y derecha, mientras que el uso con el prefijo "an-" (como en "unedro") evolucionó para significar el ángulo negativo hacia abajo entre las alas.

Las cualidades estabilizadoras aerodinámicas de un ángulo diédrico fueron descritas en un influyente artículo de 1810 de Sir George Cayley.

Usos del ángulo diédrico y del efecto diédrico

Análisis de estabilidad de aeronaves

En el análisis de la estabilidad de los aviones, el efecto dihedral es también un derivado de estabilidad llamado C_{lβ β {displaystyle beta }} que significa el cambio en el coeficiente del momento de rodamiento (el "C_l") por grado (o radiano) de cambio en ángulo lateral (el "β β {displaystyle beta }").

Provisión de estabilidad

El propósito del efecto diédrico es contribuir a la estabilidad en el eje de balanceo. Es un factor importante en la estabilidad del modo espiral, que a veces se denomina "estabilidad de balanceo". El efecto diédrico no contribuye directamente a restaurar el "nivel de las alas", pero indirectamente ayuda a restaurar el "nivel de las alas" a través de su efecto sobre el modo de movimiento en espiral que se describe a continuación.

Despeje del ala

Los diseñadores de aeronaves pueden aumentar el ángulo diédrico para proporcionar un mayor espacio libre entre las puntas de las alas y la pista. Esto es especialmente preocupante en el caso de los aviones con alas en flecha, cuyas puntas de las alas podrían golpear la pista al girar o aterrizar. En aviones militares, el espacio en ángulo diédrico se puede utilizar para montar material y tanques de lanzamiento en los puntos duros de las alas, especialmente en aviones con alas bajas. Es posible que sea necesario compensar el mayor efecto diédrico causado por esta elección de diseño, tal vez disminuyendo el ángulo diédrico en la cola horizontal.

Uso del ángulo diédrico para ajustar el efecto diédrico

Durante el diseño de un avión de ala fija (o cualquier avión con superficies horizontales), cambiar el ángulo del diedro suele ser una forma relativamente sencilla de ajustar el efecto del diedro general. Esto es para compensar la presencia de otros elementos de diseño. Influencia sobre el efecto diédrico. Estos otros elementos (como la curvatura del ala, el punto de montaje vertical del ala, etc.) pueden ser más difíciles de cambiar que el ángulo diédrico. Como resultado, se pueden encontrar diferentes grados de ángulo diédrico en diferentes tipos de aviones de ala fija. Por ejemplo, el ángulo diédrico suele ser mayor en aviones de ala baja que en aviones de ala alta similares. Esto se debe a que "alteza" de un ala (o "bajo" del centro de gravedad vertical en comparación con el ala) crea naturalmente un efecto más diédrico en sí mismo. Esto hace que se necesite menos ángulo diédrico para obtener la cantidad de efecto diédrico necesario.

Confusiones comunes

El efecto diédrico se define simplemente como el momento de rodadura causado por el deslizamiento lateral y nada más. Los momentos de balanceo causados por otras cosas que pueden estar relacionadas con el deslizamiento lateral tienen diferentes nombres.

El efecto diédrico no es causado por la tasa de guiñada ni por la tasa de cambio de deslizamiento lateral. Dado que los pilotos notan el efecto diédrico cuando "se aplica el timón", muchos pilotos y otros casi expertos explican que el momento de balanceo es causado por un ala que se mueve más rápidamente en el aire y la otra menos rápidamente. De hecho, estos son efectos reales, pero no son el efecto diédrico, que se produce por estar en un ángulo de deslizamiento lateral, no por llegar a uno. Estos otros efectos se denominan "momento de balanceo debido a la velocidad de guiñada". y "momento de rodadura debido a la tasa de deslizamiento lateral" respectivamente.

Dihedral effect is not roll stability in and of itself. Roll stability is less-ambiguous terms "spiral model stability#34; and dihedral effect is a contributing factor to it.

Cómo el ángulo diédrico crea el efecto diédrico y estabiliza el modo espiral

El ángulo diédrico contribuye al efecto diédrico total del avión. A su vez, el efecto diédrico contribuye a la estabilidad del modo espiral. Un modo de espiral estable hará que el avión finalmente regrese a un nivel nominal de "alas" ángulo de alabeo cuando el ángulo de las alas se altera hasta desnivelarse.

Fig. 1: El componente de elevación no compensado produce una fuerza lateral F_Sí., que hace que el avión se desplace.

Fig. 2: Non-zero sideslip establece el ala inferior, de viento hacia un ángulo más alto de ataque, lo que resulta en el momento de rodamiento estabilizador P.

El avión se muestra volando directamente hacia el espectador.

Si una perturbación hace que una aeronave se aleje de su posición normal de nivel de alas como en la Figura 1, la aeronave comenzará a moverse un poco hacia los lados hacia el ala inferior. En la Figura 2, la trayectoria de vuelo del avión ha comenzado a moverse hacia su izquierda mientras el morro del avión todavía apunta en la dirección original. Esto significa que el aire que viene llega un poco por la izquierda de la nariz. El avión ahora tiene un ángulo de deslizamiento además del ángulo de inclinación. La Figura 2 muestra el avión tal como se presenta al aire que se aproxima.

Cómo el ángulo diédrico crea un momento de rodadura debido al deslizamiento lateral (efecto diédrico)

En la Figura 2, las condiciones de deslizamiento lateral producen un mayor ángulo de ataque en el ala guiñada hacia adelante y un ángulo de ataque más pequeño en el ala guiñada hacia atrás. Esta alteración del ángulo de ataque por deslizamiento lateral es visible en la Figura 2. Como un mayor ángulo de ataque produce más sustentación (en el caso habitual, cuando el ala no está cerca de entrar en pérdida), el ala delantera tendrá más sustentación y el ala trasera tendrá más sustentación. menos elevación. Esta diferencia de sustentación entre las alas es un momento de rodadura y es causado por el deslizamiento lateral. Es una contribución al efecto diédrico total de la aeronave.

Cómo el efecto diédrico estabiliza el modo espiral

El momento de balanceo creado por el deslizamiento lateral (etiquetado como "P") tiende a hacer rodar el avión hasta el nivel de las alas. Un efecto más diédrico intenta hacer rodar las alas en la posición de "nivelación" dirección más fuerte y menos efecto diédrico intenta hacer rodar las alas en la dirección de "nivelación" dirección con menos fuerza. El efecto diédrico ayuda a estabilizar el modo espiral al tender a hacer rodar las alas hacia el nivel en proporción a la cantidad de deslizamiento lateral que se acumula. Sin embargo, no es el panorama completo. Al mismo tiempo que se acumula el ángulo de deslizamiento lateral, la aleta vertical intenta girar la nariz hacia el viento, como una veleta, minimizando la cantidad de deslizamiento lateral que puede estar presente. Si no hay deslizamiento lateral, no se puede restaurar el momento de rodadura. Si hay menos deslizamiento lateral, hay menos momento de rodadura restaurador. La estabilidad de guiñada creada por la aleta vertical se opone a la tendencia del efecto diédrico de hacer rodar las alas hacia atrás al limitar el deslizamiento lateral.

El modo espiral es la tendencia a divergir lentamente o la tendencia a regresar lentamente al nivel de las alas. Si el modo espiral es estable, el avión regresará lentamente al nivel de las alas; si es inestable, el avión se desviará lentamente del nivel de las alas. El efecto diédrico y la estabilidad de guiñada son los dos factores principales que afectan la estabilidad del modo espiral, aunque hay otros factores que lo afectan con menos fuerza.

Otros factores que contribuyen al efecto diédrico

Factores de diseño distintos del ángulo diédrico también contribuyen al efecto diédrico. Cada uno aumenta o disminuye el efecto diédrico total de la aeronave en mayor o menor grado.

Barrido

El barrido del ala también aumenta el efecto diédrico, aproximadamente 1° de diédrico efectivo por cada 10° de barrido. Esta es una de las razones de la configuración anédrica en aviones con un alto ángulo de barrido, así como en algunos aviones de pasajeros, incluso en aviones de ala baja como el Tu-134 y el Tu-154, con los pequeños biplanos alemanes de los años 1930-1945 del Bücker Flugzeugbau., el entrenador biplaza Bucker Jungmann y el más famoso biplano de competición acrobático Bücker Jungmeister, ambos con aproximadamente 11° de retroceso del ala, lo que da a ambos diseños un grado de efecto diédrico, más allá de la pequeña cantidad de diédrico que ambos biplanos tienen. También se presentan diseños.

Posición vertical del centro de masa

El centro de masa, generalmente llamado centro de gravedad o "CG", es el punto de equilibrio de una aeronave. Si se suspende en este punto y se le permite girar, un cuerpo (aeronave) estará equilibrado. La ubicación del CG de adelante hacia atrás es de primordial importancia para la estabilidad general de la aeronave, pero la ubicación vertical también tiene efectos importantes.

La ubicación vertical del CG cambia la cantidad de efecto diédrico. Como el "CG vertical" se mueve hacia abajo, el efecto diédrico aumenta. Esto se debe a que el centro de sustentación y resistencia está más por encima del CG y tiene un brazo de momento más largo. Entonces, las mismas fuerzas que cambian a medida que cambia el deslizamiento lateral (principalmente fuerza lateral, pero también sustentación y resistencia) producen un momento mayor alrededor del CG de la aeronave. A esto a veces se le llama efecto péndulo.

Un ejemplo extremo del efecto del CG vertical sobre el efecto diédrico es un parapente. El efecto diédrico creado por el CG vertical muy bajo compensa con creces el efecto diédrico negativo creado por el fuerte anédrico del ala necesariamente fuertemente curvada hacia abajo.

Ubicación del ala

La ubicación del ala en un avión de ala fija también influirá en su efecto diédrico. Una configuración de ala alta proporciona aproximadamente 5° de diédrico efectivo sobre una configuración de ala baja.

Efectos de demasiado efecto diédrico

Un efecto secundario de demasiado efecto diédrico, causado por un ángulo diédrico excesivo, entre otras cosas, puede ser el acoplamiento de guiñada y balanceo (una tendencia de un avión a realizar un balanceo holandés). Esto puede ser desagradable de experimentar o, en condiciones extremas, puede provocar la pérdida de control o sobrecargar la aeronave.

Anédrico y poliédrico

Anédrico

Los aviones de combate militares a menudo tienen un ángulo cercano a cero o incluso anédrico, lo que reduce el efecto diédrico y, por lo tanto, reduce la estabilidad del modo espiral. Esto aumenta la maniobrabilidad que es deseable en aviones de tipo caza.

Los ángulos anédricos también se ven en aviones con un ala montada en alto, como los muy grandes aviones de carga Antonov An-124 y Lockheed C-5 Galaxy. En tales diseños, el ala montada en alto está por encima del centro de gravedad de la aeronave, lo que confiere un efecto diédrico adicional debido al efecto péndulo (también llamado efecto quilla) y, por lo tanto, a menudo no se requiere un ángulo diédrico adicional. Dichos diseños pueden tener un efecto diédrico excesivo y, por lo tanto, ser excesivamente estables en el modo espiral, por lo que se agrega un ángulo anédrico en el ala para cancelar parte del efecto diédrico para que la aeronave pueda maniobrarse más fácilmente.

Poliédrica

La mayoría de los aviones han sido diseñados con alas planas con diédrico simple (o anédrico). Algunos aviones más antiguos, como el Beriev Be-12, fueron diseñados con alas de gaviota dobladas cerca de la raíz. Otros, como el Vought F4U Corsair, utilizaron un diseño de ala de gaviota invertida, que permitía puntales de aterrizaje más cortos y una distancia al suelo adicional para hélices grandes y cargas útiles externas, como tanques de combustible externos o bombas. Los diseños modernos de alas poliédricas generalmente se doblan hacia arriba cerca de las puntas de las alas (también conocido como diédrico de punta), lo que aumenta el efecto diédrico sin aumentar el ángulo que las alas encuentran en la raíz, lo que puede restringirse para cumplir con otros criterios de diseño.

El poliédrico se ve en planeadores y algunos otros aviones. El McDonnell Douglas F-4 Phantom II es un ejemplo de ello, único entre los aviones de combate por tener puntas de ala diédricas. Esto se añadió después de que las pruebas de vuelo del prototipo de ala plana mostraran la necesidad de corregir cierta inestabilidad imprevista en modo espiral: inclinar las puntas de las alas, que ya estaban diseñadas para plegarse para operaciones de portaaviones, era una solución más práctica que rediseñar todo el ala.