Estabilizador (aeronáutica)

An estabilizador de aeronaves es una superficie aerodinámica, típicamente incluyendo una o más superficies de control móvil, que proporciona estabilidad y control longitudinal (pitch) y/o direccional (yaw). Un estabilizador puede tener una estructura fija o ajustable en la que se apilan superficies de control móviles, o puede ser una superficie totalmente móvil como un estabilizador. Dependiendo del contexto, "estabilizador" a veces puede describir sólo la parte frontal de la superficie general.

En la configuración de una aeronave convencional, los estabilizadores verticales (aletas) y horizontales (plano de cola) separados forman un empenaje ubicado en la cola de la aeronave. Otras disposiciones 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 longitudinal y el control se pueden obtener con otras configuraciones de alas, incluidas aeronaves canard, de ala en tándem y sin cola.

Algunos tipos de aeronaves se estabilizan con control electrónico de vuelo; en este caso, superficies fijas y móviles situadas en cualquier lugar a lo largo de la aeronave pueden servir como amortiguadores o estabilizadores activos de movimiento.

Estabilizadores horizontales

Se utiliza un estabilizador horizontal para mantener la aeronave en equilibrio longitudinal, o trim: ejerce una fuerza vertical a una distancia de modo que la suma de los momentos de cabeceo con respecto al centro de gravedad es cero. La fuerza vertical ejercida por el estabilizador varía con las condiciones de vuelo, en particular según el coeficiente de sustentación del avión y la deflexión de los flaps que afectan la posición del centro de presión, y con la posición del centro de gravedad del avión (que cambia con el avión). carga y consumo de combustible). El vuelo transónico impone 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 sólo se puede definir cuando el vehículo está en equilibrio; se refiere a la tendencia de la aeronave a volver a la condición de compensación si es perturbada. Esto mantiene una actitud constante de la aeronave, con un ángulo de cabeceo invariable en relación con la corriente de aire, sin intervención activa del piloto. Garantizar la estabilidad estática de una aeronave con un ala convencional requiere 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 hacia abajo.

El elevador sirve para controlar el eje de paso; en el caso de una cola totalmente móvil, todo el conjunto actúa como superficie de control.

Interacción ala-estabilizador

La corriente 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 la cola es mucho más significativa que el efecto contrario y puede modelarse utilizando la teoría de la línea de elevación de Prandtl; sin embargo, una estimación precisa de la interacción entre múltiples superficies requiere simulaciones por computadora o pruebas en túnel de viento.

Configuraciones del estabilizador horizontal

Plataforma convencional

En la configuración convencional, el estabilizador horizontal es una pequeña cola horizontal o plano de cola ubicado en la parte trasera de la aeronave. Esta es la configuración más común.

En muchos aviones, el conjunto del plano de cola consiste en una superficie fija equipada con una superficie elevadora trasera articulada. Se pueden utilizar pestañas 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 totalmente móvil conocido como estabilizador, sin ascensor separado. Los estabilizadores también se encuentran en muchos aviones supersónicos, donde un control de profundidad separado causaría una resistencia inaceptable.

La mayoría de los aviones de línea y de transporte cuentan con un plano de cola ajustable grande y de movimiento lento que se combina con elevadores de movimiento independiente. Los elevadores son controlados por el piloto o el piloto automático y sirven principalmente para cambiar la actitud de la aeronave, mientras que todo el conjunto se utiliza para compensar (manteniendo el equilibrio estático horizontal) y estabilizar la aeronave en el eje de cabeceo. En el Boeing 737, el sistema de compensación del estabilizador ajustable funciona mediante un tornillo nivelador operado eléctricamente.

Las variantes de la configuración convencional incluyen cola en T, cola cruciforme, cola gemela y cola montada en brazo doble.

Avión de tres superficies

Avión de tres superficies, como el Piaggio P.180 Avanti o el Triumph y Catbird Comcaled Composites, el plano de cola es un estabilizador como en aviones convencionales; el frente, llamado anteplano o canario, proporciona ascensor y sirve como superficie de equilibrio.

Algunos aviones de tres superficies anteriores, como el Curtiss AEA June Bug o el biplano Voisin 1907, eran de diseño convencional con una superficie adicional de control frontal que se llamaba "elevador" o a veces "estabilisateur". Sin ascensores, los planos de estos aviones no eran lo que ahora se llama estabilizadores convencionales. Por ejemplo, el Voisin era un diseño tándem (ala principal y ala trasera) con un anteplano que no era estabilizador ni levantado principalmente; se llamaba un "équilibreur" ("balancer"), y utilizado como control de campo y superficie de borde.

Aviones

En la configuración canard, un ala pequeña, o plano delantero, está ubicada frente al ala principal. Algunos autores lo llaman estabilizador. o dar sólo al avión de proa un papel estabilizador, aunque en lo que respecta a la estabilidad del cabeceo, un plano de proa se describe generalmente como una superficie desestabilizadora, el ala principal proporciona el momento estabilizador en el cabeceo.

En aeronaves naturalmente inestables, las superficies canard pueden usarse como parte activa del sistema de estabilidad artificial y, a veces, se denominan estabilizadores horizontales.

Avión sin cola

Los aviones sin cola carecen de un estabilizador horizontal separado. En un avión sin cola, la superficie estabilizadora horizontal forma parte del ala principal. La estabilidad longitudinal en aviones sin cola se logra diseñando el avión de manera 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 (lavado o torsión del ala), o usando perfiles aerodinámicos con curvatura refleja.

Estabilizadores verticales

Un estabilizador vertical proporciona estabilidad direccional (o guiñada) y generalmente comprende una aleta fija y un timón de control móvil articulado a su borde trasero. Con menos frecuencia, no hay bisagra y toda la superficie de la aleta gira para brindar estabilidad y control.

Cuando una aeronave encuentra 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.

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.

No todos los aviones tienen un estabilizador vertical. En cambio, el barrido del ala y el diédrico pueden proporcionar un grado similar de estabilidad direccional, mientras que el control direccional a menudo se efectúa agregando resistencia en el lado del avión hacia el que se va a girar, ya sea en forma de spoilers o alerones divididos.

Control y estabilización direccional sin cola

Aunque el uso de un estabilizador vertical es el más común, es posible obtener estabilidad direccional sin un estabilizador vertical discreto. Esto ocurre cuando el ala está barrida 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.

• Estabilización. Cuando un ala barrido se gira en yaw el barrido exterior del ala se reduce, por lo que el arrastre interior aumenta, reduciendo la arrastre. Este cambio en la distribución de arrastre crea un momento de restauración.
• Control. Una manera de conseguir el control de yaw es utilizar el frenado de aire diferencial para afectar el arrastre directamente. Esta técnica se adapta a los controles de vuelo electrónicos, como en el ala de vuelo Northrop Grumman B-2.

Estabilizadores direccionales longitudinales combinados

En algunos aviones, los estabilizadores horizontales y verticales se combinan en un par de superficies denominadas cola en V. En esta disposición, dos estabilizadores (aletas y timones) están montados a 90-120° entre sí, dando un área proyectada horizontal mayor que la vertical como en la mayoría de las colas convencionales. Las superficies de control móviles se denominan entonces timones. La cola en V actúa así como estabilizador de guiñada y cabeceo.

Aunque pueda parecer que la configuración de cola en V puede resultar en una reducción significativa del área mojada de la cola, sufre de un aumento en la complejidad de control-actuación, así como de una interacción aerodinámica compleja y perjudicial entre las dos superficies. Esto a menudo resulta en un aumento del área total que reduce o anula el beneficio original. El avión ligero Beechcraft Bonanza fue diseñado originalmente con 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 hacia el lado opuesto. El LearAvia Lear Fan tenía una cola en Y. Todas las disposiciones de cola gemela con un ángulo diédrico de cola proporcionarán una combinación de estabilización longitudinal y direccional.