Sistema de control de vuelo de aeronaves

Un sistema de control de vuelo de una aeronave de ala fija convencional (AFCS) consta de superficies de control de vuelo, los respectivos controles de cabina, enlaces de conexión y los mecanismos operativos necesarios para controlar la dirección de un avión en vuelo. Los controles de los motores de las aeronaves también se consideran controles de vuelo ya que cambian de velocidad.

Los fundamentos de los controles de las aeronaves se explican en dinámica de vuelo. Este artículo se centra en los mecanismos operativos de los controles de vuelo. El sistema básico utilizado en los aviones apareció por primera vez en una forma fácilmente reconocible ya en abril de 1908, en el diseño del monoplano de la era pionera del Blériot VIII de Louis Blériot.

Controles de cabina

Control primario

Generalmente, los controles de vuelo principales de la cabina están dispuestos de la siguiente manera:

• Un yugo de control (también conocido como columna de control), barra central o barra lateral (los dos últimos también coloquialmente conocidos como un control o joystick), gobierna el rollo y el lanzamiento de la aeronave moviendo los ailerones (o activando el ala en algunos diseños de aviones muy tempranos) cuando girado o desviado izquierda y derecha, y mueve los ascensores cuando se mueve hacia atrás o hacia adelante.
• Los pedales de escalera, o el anterior, pre-1919 "barrera de escalera", controlan el yaw moviendo el timón; el pie izquierdo hacia adelante moverá el timón izquierdo por ejemplo.
• La palanca de empuje o el acelerador, que controla la velocidad del motor o el empuje para aviones alimentados.

Los yugos de control también varían mucho entre aviones. Hay yugos en los que el balanceo se controla girando el yugo en sentido horario o antihorario (como conducir un automóvil) y el cabeceo se controla moviendo la columna de control hacia o alejándose del piloto, pero en otros el cabeceo se controla deslizando el yugo hacia adentro y hacia afuera. del panel de instrumentos (como la mayoría de los Cessna, como el 152 y el 172), y en algunos el balanceo se controla deslizando todo el yugo hacia la izquierda y la derecha (como el Cessna 162). Las palancas centrales también varían según el avión. Algunos están conectados directamente a las superficies de control mediante cables, otros (aviones fly-by-wire) tienen en medio un ordenador que controla los actuadores eléctricos.

Incluso cuando una aeronave utiliza superficies de control de vuelo variantes, como un timón de cola en V, flaperones o elevones, debido a que estas diversas superficies de control de propósito combinado controlan la rotación alrededor de los mismos tres ejes en el espacio, el vuelo de la aeronave El sistema de control seguirá estando diseñado para que la palanca o el yugo controlen el cabeceo y el balanceo de forma convencional, al igual que los pedales del timón para la guiñada. El patrón básico para los controles de vuelo modernos fue iniciado por la figura de la aviación francesa Robert Esnault-Pelterie, y su colega aviador francés Louis Blériot popularizó el formato de control de Esnault-Pelterie inicialmente en los aviones de Louis. Monoplano Blériot VIII en abril de 1908, y estandarización del formato en el Blériot XI que cruza el Canal de la Mancha en julio de 1909. El control de vuelo se ha enseñado de esta manera durante muchas décadas, como se popularizó en libros instructivos ab initio como la obra Stick and Rudder de 1944.

En algunos aviones, las superficies de control no se manipulan con un varillaje. En los aviones ultraligeros y en los planeadores motorizados, por ejemplo, no existe ningún mecanismo. En cambio, el piloto simplemente agarra la superficie de elevación con la mano (usando un marco rígido que cuelga de su parte inferior) y la mueve.

Controles secundarios

Además de los controles de vuelo primarios para balanceo, cabeceo y guiñada, a menudo hay controles secundarios disponibles para darle al piloto un control más preciso sobre el vuelo o para aliviar la carga de trabajo. El control más comúnmente disponible es una rueda u otro dispositivo para controlar el trimado del elevador, de modo que el piloto no tenga que mantener una presión constante hacia adelante o hacia atrás para mantener una actitud de cabeceo específica (otros tipos de trimado, para timón y alerones, son comunes en aviones más grandes pero también pueden aparecer en aviones más pequeños). Muchos aviones tienen flaps, controlados por un interruptor o una palanca mecánica o, en algunos casos, son completamente automáticos mediante control por computadora, que alteran la forma del ala para mejorar el control a las velocidades más lentas utilizadas para el despegue y el aterrizaje. Otros sistemas de control de vuelo secundarios pueden incluir slats, spoilers, frenos de aire y alas de barrido variable.

Sistemas de control de vuelo

Mecánico

Los sistemas de control de vuelo operados manualmente o mecánicos son el método más básico para controlar una aeronave. Se utilizaron en los primeros aviones y actualmente se utilizan en aviones pequeños donde las fuerzas aerodinámicas no son excesivas. Los primeros aviones, como el Wright Flyer I, Blériot XI y Fokker Eindecker, utilizaban un sistema de alabeo en el que no se utilizaban superficies de control con bisagras convencionales en el ala y, a veces, ni siquiera para el control de cabeceo como en el Wright Flyer I y las versiones originales. del Etrich Taube de 1909, que solo tenía un timón con bisagras/pivotante además de los controles de cabeceo y balanceo operados por deformación. Un sistema de control de vuelo manual utiliza un conjunto de piezas mecánicas como varillas de empuje, cables tensores, poleas, contrapesos y, a veces, cadenas para transmitir las fuerzas aplicadas a los controles de la cabina directamente a las superficies de control. Los tensores se utilizan a menudo para ajustar la tensión del cable de control. El Cessna Skyhawk es un ejemplo típico de avión que utiliza este tipo de sistema. Los bloqueos de ráfagas se utilizan a menudo en aeronaves estacionadas con sistemas mecánicos para proteger las superficies de control y los enlaces del daño causado por el viento. Algunos aviones tienen cerraduras contra ráfagas instaladas como parte del sistema de control.

Los aumentos en el área de la superficie de control y las mayores velocidades requeridas por aviones más rápidos dieron como resultado cargas aerodinámicas más altas en los sistemas de control de vuelo. Como resultado, las fuerzas necesarias para moverlos también aumentan considerablemente. En consecuencia, se desarrollaron complicadas disposiciones de engranajes mecánicos para extraer la máxima ventaja mecánica con el fin de reducir las fuerzas requeridas por los pilotos. Esta disposición se puede encontrar en aviones de hélice más grandes o de mayor rendimiento, como el Fokker 50.

Algunos sistemas mecánicos de control de vuelo utilizan pestañas servo que brindan asistencia aerodinámica. Las pestañas de los servos son pequeñas superficies unidas a las superficies de control. Los mecanismos de control de vuelo mueven estas pestañas, las fuerzas aerodinámicas a su vez se mueven o ayudan al movimiento de las superficies de control reduciendo la cantidad de fuerzas mecánicas necesarias. Esta disposición se utilizó en los primeros aviones de transporte con motor de pistón y en los primeros aviones de transporte. El Boeing 737 incorpora un sistema mediante el cual, en el improbable caso de que se produzca un fallo total del sistema hidráulico, éste vuelve a ser controlado de forma automática y sin problemas mediante una pestaña servo.

Hidromecánico

La complejidad y el peso de los sistemas mecánicos de control de vuelo aumentan considerablemente con el tamaño y el rendimiento de la aeronave. Las superficies de control accionadas hidráulicamente ayudan a superar estas limitaciones. Con los sistemas de control de vuelo hidráulicos, el tamaño y el rendimiento de la aeronave están limitados por la economía más que por la fuerza muscular del piloto. Al principio se utilizaron sistemas sólo parcialmente reforzados, en los que el piloto todavía podía sentir algunas cargas aerodinámicas en las superficies de control (feedback).

Un sistema de control de vuelo hidromecánico consta de dos partes:

• El circuito mecánico, que vincula los controles de la cabina con los circuitos hidráulicos. Como el sistema mecánico de control de vuelo, consta de varillas, cables, poleas y a veces cadenas.
• El circuito hidráulico, que tiene bombas hidráulicas, depósitos, filtros, tuberías, válvulas y actuadores. Los actuadores son alimentados por la presión hidráulica generada por las bombas en el circuito hidráulico. Los actuadores convierten la presión hidráulica en movimientos de superficie de control. Las válvulas servo electrohidráulicas controlan el movimiento de los actuadores.

El movimiento del piloto de un control hace que el circuito mecánico abra la servoválvula correspondiente en el circuito hidráulico. El circuito hidráulico alimenta los actuadores que luego mueven las superficies de control. A medida que el actuador se mueve, la servoválvula se cierra mediante un enlace de retroalimentación mecánica, uno que detiene el movimiento de la superficie de control en la posición deseada.

Esta disposición se encontró en los aviones de transporte de diseño más antiguo y en algunos aviones de alto rendimiento. Los ejemplos incluyen el Antonov An-225 y el Lockheed SR-71.

Dispositivos de sensación artificial

Con los sistemas de control de vuelo puramente mecánicos, las fuerzas aerodinámicas sobre las superficies de control se transmiten a través de los mecanismos y el piloto las siente directamente, lo que permite una retroalimentación táctil de la velocidad del aire. Con los sistemas de control de vuelo hidromecánicos, la carga sobre las superficies no se puede sentir y existe el riesgo de sobrecargar la aeronave debido al movimiento excesivo de la superficie de control. Para superar este problema, se pueden utilizar sistemas de sensación artificial. Por ejemplo, para los controles del bombardero a reacción Avro Vulcan de la RAF y del interceptor supersónico Avro Canada CF-105 Arrow de la RCAF (ambos diseños de la década de 1950), la retroalimentación de fuerza requerida se logró mediante un dispositivo de resorte. . El punto de apoyo de este dispositivo se movió en proporción al cuadrado de la velocidad del aire (para los ascensores) para dar una mayor resistencia a velocidades más altas. Para los controles de los aviones de combate estadounidenses Vought F-8 Crusader y LTV A-7 Corsair II, se utilizó un 'bob-weight' se utilizó en el eje de cabeceo de la palanca de control, dando retroalimentación de fuerza que era proporcional a la aceleración normal del avión.

Palo agitador

Un agitador de varillas es un dispositivo que se fija a la columna de control en algunos aviones hidráulicos. Sacude la columna de control cuando el avión se acerca a condiciones de pérdida. Algunos aviones, como el McDonnell Douglas DC-10, están equipados con una fuente de alimentación eléctrica de respaldo que se puede activar para habilitar el agitador en caso de falla hidráulica.

Alimentación por cable

En la mayoría de los sistemas actuales, la energía es proporcionada a los actuadores de control mediante sistemas hidráulicos de alta presión. En los sistemas fly-by-wire, las válvulas que controlan estos sistemas se activan mediante señales eléctricas. En los sistemas de alimentación por cable, se utilizan actuadores eléctricos en lugar de pistones hidráulicos. La energía se lleva a los actuadores mediante cables eléctricos. Son más ligeras que las tuberías hidráulicas, más fáciles de instalar y mantener y más fiables. Los elementos del sistema de control de vuelo del F-35 funcionan mediante cables. Los actuadores de dicho sistema de accionamiento electrohidrostático (EHA) son dispositivos hidráulicos autónomos, pequeños sistemas hidráulicos de circuito cerrado. El objetivo general es lograr aviones más o totalmente eléctricos y un ejemplo temprano de este enfoque fue el Avro Vulcan. Se consideró seriamente la posibilidad de utilizar este método en el Airbus A380.

Sistemas de control de vuelo por cable

Un sistema fly-by-wire (FBW) reemplaza el control de vuelo manual de una aeronave con una interfaz electrónica. Los movimientos de los controles de vuelo se convierten en señales electrónicas transmitidas por cables (de ahí el término vuelo por cable) y las computadoras de control de vuelo determinan cómo mover los actuadores en cada superficie de control para proporcionar la respuesta esperada. . Los comandos de las computadoras también se ingresan sin el conocimiento del piloto para estabilizar la aeronave y realizar otras tareas. La electrónica para los sistemas de control de vuelo de aeronaves forma parte del campo conocido como aviónica.

Fly-by-optics, también conocido como fly-by-light, es un desarrollo posterior que utiliza cables de fibra óptica.

Investigación

Existen varios esfuerzos de investigación y desarrollo tecnológicos para integrar las funciones de los sistemas de control de vuelo como ailerones, ascensores, elevones, solapas y flaperons en alas para realizar el propósito aerodinámico con las ventajas de menos: masa, coste, arrastrar, inercia (para una respuesta de control más rápida y más fuerte), complejidad (mecánicamente más simple, menos partes móviles o superficies, menos mantenimiento) y sección de radar para robar. Estos pueden utilizarse en muchos vehículos aéreos no tripulados (UAV) y aviones de combate de 6a generación. Dos enfoques prometedores son alas flexibles y fluidas.

Alas flexibles

En alas flexibles, también conocidas como "aerofoils morfadores", gran o toda una superficie de ala puede cambiar de forma en vuelo para desviar el flujo de aire mucho como un ornithopter. Las alas compatibles adaptativas son un esfuerzo militar y comercial. El X-53 Active Aeroelastic Wing fue una Fuerza Aérea de los Estados Unidos, la NASA y el esfuerzo de Boeing. FlexSys también ha realizado notables esfuerzos, que han llevado a cabo pruebas de vuelo utilizando aerofoil flexibles reacondicionados a un avión Gulf stream III.

Control de flujo activo

En los sistemas de control de flujo activo, las fuerzas en los vehículos se producen a través del control de circulación, en el que las piezas mecánicas más grandes y complejas se reemplazan por sistemas de fluidos más pequeños y simples (ranuras que emiten flujos de aire) donde las fuerzas más grandes en los fluidos se desvían mediante chorros más pequeños. o flujos de fluido de forma intermitente, para cambiar la dirección de los vehículos. En este uso, el control activo del flujo promete simplicidad y menor masa, costos (hasta la mitad menos), inercia y tiempos de respuesta. Esto quedó demostrado en el UAV Demon, que voló por primera vez en el Reino Unido en septiembre de 2010.