Modos dinámicos de la aeronave

La estabilidad dinámica de una aeronave se refiere a cómo se comporta la aeronave después de haber sido perturbada tras un vuelo estable y sin oscilaciones.

Los movimientos oscilatorios se pueden describir mediante dos parámetros: el período de tiempo necesario para una oscilación completa y el tiempo necesario para amortiguar la amplitud hasta la mitad o el tiempo necesario para duplicar la amplitud en el caso de un movimiento dinámicamente inestable. El movimiento longitudinal consta de dos oscilaciones distintas: una oscilación de período largo denominada modo fugoide y una oscilación de período corto denominada modo de período corto.

El modo de período más largo, llamado "modo fugoide", es aquel en el que hay una variación de gran amplitud de la velocidad del aire, el ángulo de cabeceo y la altitud, pero casi ninguna variación del ángulo de ataque. La oscilación fugoide es un intercambio lento de energía cinética (velocidad) y energía potencial (altura) alrededor de un nivel de energía de equilibrio a medida que el avión intenta restablecer la condición de vuelo nivelado de equilibrio de la que se había visto perturbado. El movimiento es tan lento que el impacto tanto de las fuerzas de inercia como de amortiguación es muy leve; sin embargo, a pesar de que las fuerzas de amortiguación son muy débiles, el período es tan largo que el piloto generalmente corrige automáticamente este movimiento sin ser consciente de que la oscilación existe. Normalmente, el período es de 20 a 60 segundos. Esta oscilación generalmente puede ser controlada por el piloto.

Sin un nombre especial, el modo de período más corto se denomina simplemente "modo de período corto". El movimiento es un cabeceo rápido de la aeronave sobre el centro de gravedad, esencialmente una variación del ángulo de ataque. El modo de período corto es una oscilación con un período de solo unos pocos segundos que generalmente está muy amortiguada por la existencia de superficies de sustentación alejadas del centro de gravedad de la aeronave, como una cola horizontal o un canard. El tiempo para amortiguar la amplitud a la mitad de su valor suele ser del orden de 1 segundo. La capacidad de amortiguarse rápidamente cuando la palanca se desplaza brevemente es uno de los muchos criterios para la certificación general de aeronaves.

Los modos "laterales-direccionales" implican movimientos de balanceo y de guiñada. Los movimientos en uno de estos ejes casi siempre se acoplan al otro, por lo que los modos se describen generalmente como "modos laterales-direccionales".

Existen tres tipos posibles de movimiento dinámico direccional lateral: modo de hundimiento de balanceo, modo espiral y modo de balanceo holandés.

El modo de hundimiento del alabeo es simplemente la amortiguación del movimiento de alabeo. No se crea un momento aerodinámico directo que tienda a restaurar directamente el nivel de las alas, es decir, no hay una "fuerza/momento de resorte" de retorno proporcional al ángulo de alabeo. Sin embargo, hay un momento de amortiguación (proporcional a la velocidad de alabeo) creado por el giro de las alas largas. Esto evita que se acumulen grandes velocidades de alabeo cuando se realizan acciones de control de alabeo o amortigua la velocidad de alabeo (no el ángulo) a cero cuando no hay acciones de control de alabeo.

El modo de alabeo se puede mejorar mediante efectos diedros provenientes de características de diseño, como alas altas, ángulos diedros o ángulos de barrido.

El segundo movimiento lateral es un movimiento oscilatorio combinado de balanceo y guiñada llamado balanceo holandés, tal vez por su similitud con un movimiento de patinaje sobre hielo del mismo nombre realizado por patinadores holandeses; el origen del nombre no está claro. El balanceo holandés puede describirse como un balanceo y guiñada hacia la derecha, seguido de una recuperación hacia la condición de equilibrio, luego un rebasamiento de esta condición y un balanceo y guiñada hacia la izquierda, luego de vuelta más allá de la actitud de equilibrio, y así sucesivamente. El período suele ser del orden de 3 a 15 segundos, pero puede variar desde unos pocos segundos para aviones ligeros hasta un minuto o más para aviones de pasajeros. La amortiguación aumenta con una estabilidad direccional grande y un diedro pequeño y disminuye con una estabilidad direccional pequeña y un diedro grande. Aunque normalmente es estable en un avión normal, el movimiento puede estar tan ligeramente amortiguado que el efecto es muy desagradable e indeseable. En los aviones de ala en flecha, el balanceo holandés se soluciona instalando un amortiguador de guiñada, que es en realidad un piloto automático de propósito especial que amortigua cualquier oscilación de guiñada aplicando correcciones del timón. Algunos aviones de ala en flecha tienen un balanceo holandés inestable. Si el balanceo holandés está muy ligeramente amortiguado o es inestable, el amortiguador de guiñada se convierte en un requisito de seguridad, en lugar de una conveniencia para el piloto y el pasajero. Se requieren amortiguadores de guiñada dobles y un amortiguador de guiñada defectuoso es motivo de limitar el vuelo a altitudes bajas y posiblemente a números de Mach más bajos, donde se mejora la estabilidad del balanceo holandés.

La caída en espiral es inherente. La mayoría de los aviones ajustados para un vuelo recto y nivelado, si se vuelan con la palanca de mando fija, acabarán cayendo en espiral. Si se entra en una caída en espiral sin querer, el resultado puede ser fatal.

Una caída en espiral no es una barrena; comienza, no con una pérdida de sustentación o por un par motor, sino con una perturbación aleatoria, aumentando el balanceo y la velocidad aerodinámica. Sin una intervención rápida del piloto, esto puede provocar un fallo estructural de la estructura del avión, ya sea como resultado de una carga aerodinámica excesiva o de un choque contra el terreno. Al principio, el avión da pocas señales de que algo haya cambiado. La sensación de estar "caído" del piloto sigue siendo con respecto a la parte inferior del avión, aunque en realidad el avión se ha ido alejando cada vez más de la vertical verdadera. En condiciones VFR, el piloto corrige las pequeñas desviaciones del nivel utilizando automáticamente el horizonte verdadero, pero en condiciones de IMC o de oscuridad las desviaciones pueden pasar desapercibidas: el balanceo aumentará y la sustentación, que ya no es vertical, será insuficiente para sostener el avión. El morro baja y la velocidad aumenta; la caída en espiral ha comenzado.

Digamos que el giro es hacia la derecha. Se produce un deslizamiento lateral, lo que da lugar a un flujo de deslizamiento que va de derecha a izquierda. Ahora examinemos las fuerzas resultantes una por una, llamando a cualquier influencia hacia la derecha guiñada hacia adentro, guiñada hacia afuera hacia la izquierda o giro hacia adentro o hacia afuera, lo que corresponda. El flujo de deslizamiento:

• empujar la aleta, el timón y otras áreas laterales a la izquierda del centro de gravedad del avión, causando un yaw-in derecho,
• empujar las áreas laterales por delante del centro de gravedad a la izquierda, causando un yaw-out izquierdo,
• empujar la punta derecha hacia arriba, la izquierda hacia abajo, una salida izquierda debido al ángulo dihedral,
• hacer que el ala izquierda vaya más rápido, el ala derecha más lento, un roll-in,
• empujar las áreas laterales de la aeronave por encima del centro de gravedad a la izquierda, una salida,
• empujar las zonas laterales de la aeronave por debajo del centro de gravedad a la izquierda, un rodillo,

Además, las posiciones verticales relativas del fuselaje y las alas imponen una fuerza aerodinámica que crea un efecto de apalancamiento hacia adentro si el fuselaje está por encima de las alas, como en una configuración de ala baja, o hacia afuera si está por debajo, como en una configuración de ala alta.

Una hélice que gira con potencia influirá en el flujo de aire que pasa por ella. Su efecto depende de la posición del acelerador (alto a altas revoluciones, bajo a bajas) y de la actitud del avión.

Por lo tanto, una caída en espiral es el resultado de la compensación de muchas fuerzas que dependen en parte del diseño de la aeronave, en parte de su actitud y en parte de la configuración del acelerador (un diseño susceptible caerá en espiral con potencia, pero no durante el planeo).

Un avión en picada tiene más energía cinética (que varía con el cuadrado de la velocidad) que cuando está recto y nivelado. Para volver a estar recto y nivelado, la recuperación debe eliminar este exceso de energía de forma segura. La secuencia es la siguiente:

• poder todo
• alas de nivel al horizonte, o si se ha perdido el horizonte, a los instrumentos
• reducir la velocidad utilizando la presión de espalda suave en los controles hasta que se alcance la velocidad deseada
• nivel fuera, siendo cuidadoso de una tendencia de lanzamiento a medida que el avión se rueda a nivel de alas, y restaurar la energía

Las oscilaciones pueden ser causadas longitudinal o lateralmente por el chapoteo del combustible, un fenómeno que se sabe que ha afectado a aeronaves como el Douglas A4D, el Lockheed P-80, el Boeing KC-135, el Cessna T-37 y el North American YF-100. Su efecto es mínimo cuando los tanques de combustible están llenos o casi vacíos: un tanque lleno tiene una masa alta pero poco movimiento, mientras que un tanque casi vacío tiene un mayor movimiento pero una masa baja. El chapoteo del combustible se puede reducir instalando deflectores en los tanques de combustible, sin embargo, estos aumentan la masa y reducen la capacidad de combustible.

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