Sistema de control de vuelo de aeronaves

Generalmente, los controles de vuelo principales de la cabina están dispuestos de la siguiente manera: ^{[ 3 ]}

• Un volante de control (también conocido como columna de control), palanca central o palanca lateral (estos dos últimos también conocidos coloquialmente como control o joystick ), regula el alabeo y el cabeceo de la aeronave moviendo los alerones (o activando la torsión de las alas en algunos diseños de aeronaves muy antiguos) cuando giran o se desvían hacia la izquierda y la derecha, y mueve los elevadores cuando se mueven hacia atrás o hacia adelante.
• Los pedales del timón , o la antigua "barra del timón" anterior a 1919, controlan el guiñada moviendo el timón ; por ejemplo, si se adelanta el pie izquierdo, el timón se moverá hacia la izquierda.
• Palanca de empuje o acelerador , que controla la velocidad o el empuje del motor en aeronaves motorizadas.

Los volantes de control también varían mucho entre las aeronaves. Hay volantes donde el alabeo se controla girándolo en sentido horario/antihorario (como al volante de un coche) y el cabeceo se controla moviendo la columna de control hacia o lejos del piloto, pero en otros el cabeceo se controla deslizando el volante hacia dentro y hacia fuera del panel de instrumentos (como la mayoría de los Cessna, como el 152 y el 172), y en algunos el alabeo se controla deslizando todo el volante hacia la izquierda y hacia la derecha (como el Cessna 162). Las palancas centrales también varían entre las aeronaves. Algunas están conectadas directamente a las superficies de control mediante cables, ^{[ 4 ]} otras (aviones fly-by-wire) tienen un ordenador intermedio 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 sistema de control de vuelo de la aeronave seguirá estando diseñado de manera que la palanca o el volante controlen el cabeceo y el alabeo de forma convencional, al igual que los pedales del timón para la guiñada. ^{[ 3 ]} 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 el monoplano Blériot VIII de Louis en abril de 1908, y estandarizó el formato en el Blériot XI que cruzó 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 de instrucción ab initio como la obra de 1944 Stick and Rudder .

En algunas aeronaves, las superficies de control no se manipulan mediante un mecanismo de varillaje. En los ultraligeros y las alas delta motorizadas, por ejemplo, no existe ningún mecanismo. En su lugar, el piloto simplemente sujeta la superficie de sustentación con la mano (mediante una estructura rígida que cuelga de su parte inferior) y la mueve.

Además de los controles de vuelo primarios para alabeo, cabeceo y guiñada, a menudo hay controles secundarios disponibles para dar al piloto un control más preciso sobre el vuelo o para aliviar la carga de trabajo. El control más común disponible es una rueda u otro dispositivo para controlar el compensador del elevador , de modo que el piloto no tenga que mantener una presión constante hacia atrás o hacia adelante para mantener una actitud de cabeceo específica ^{[ 5 ]} (otros tipos de compensador, para timón y alerones , son comunes en aeronaves más grandes, pero también pueden aparecer en las más pequeñas). Muchas aeronaves tienen flaps de ala , controlados por un interruptor o una palanca mecánica o, en algunos casos, son completamente automáticos por control computarizado, que modifican la forma del ala para mejorar el control a las velocidades más bajas utilizadas para el despegue y el aterrizaje. Otros sistemas de control de vuelo secundarios pueden incluir slats , spoilers , frenos aerodinámicos y alas de flecha variable .

Los sistemas de control de vuelo mecánicos o manuales son el método más básico para controlar una aeronave. Se utilizaron en las primeras aeronaves y actualmente se emplean en aeronaves pequeñas donde las fuerzas aerodinámicas no son excesivas. Las primeras aeronaves, como el Wright Flyer I , el Blériot XI y el Fokker Eindecker, utilizaban un sistema de torsión de alas en el que no se empleaban superficies de control articuladas 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 contaban con un timón articulado/pivotante además de los controles de cabeceo y alabeo operados por torsión. ^{[ 6 ]} Un sistema de control de vuelo manual utiliza un conjunto de piezas mecánicas como varillas de empuje, cables de tensión, poleas, contrapesos y, a veces, cadenas para transmitir las fuerzas aplicadas a los controles de la cabina directamente a las superficies de control. A menudo se utilizan tensores para ajustar la tensión de los cables de control. El Cessna Skyhawk es un ejemplo típico de una aeronave que utiliza este tipo de sistema. Los bloqueos contra ráfagas se utilizan a menudo en aeronaves estacionadas con sistemas mecánicos para proteger las superficies de control y los mecanismos de acoplamiento de los daños causados ​​por el viento. Algunas aeronaves tienen los bloqueos contra ráfagas instalados como parte del sistema de control. ^{[ 7 ]}

El aumento de la superficie de control y las mayores velocidades aerodinámicas requeridas por las aeronaves más rápidas resultaron en mayores cargas aerodinámicas sobre los sistemas de control de vuelo. Como resultado, las fuerzas necesarias para moverlos también se incrementaron significativamente. En consecuencia, se desarrollaron complejos sistemas de engranajes mecánicos para obtener la máxima ventaja mecánica y así reducir las fuerzas requeridas por los pilotos. ^{[ 8 ]} Este sistema se puede encontrar en aeronaves de hélice más grandes o de mayor rendimiento, como el Fokker 50 .

Algunos sistemas mecánicos de control de vuelo utilizan servoaletas que proporcionan asistencia aerodinámica. Las servoaletas son pequeñas superficies articuladas a las superficies de control. Los mecanismos de control de vuelo mueven estas servoaletas, y las fuerzas aerodinámicas, a su vez, mueven o asisten el movimiento de las superficies de control, reduciendo así la cantidad de fuerzas mecánicas necesarias. Este sistema se utilizó en los primeros aviones de transporte con motor de pistón y en los primeros aviones de transporte a reacción. ^{[ 9 ]} El Boeing 737 incorpora un sistema mediante el cual, en el improbable caso de una falla total del sistema hidráulico, vuelve automáticamente y sin interrupciones al control mediante servoaletas.

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 de accionamiento hidráulico ayudan a superar estas limitaciones. Con los sistemas de control de vuelo hidráulico, el tamaño y el rendimiento de la aeronave están limitados por factores económicos, más que por la fuerza muscular del piloto. Inicialmente, se utilizaban sistemas de asistencia parcial en los que el piloto aún podía sentir algunas de las cargas aerodinámicas en las superficies de control (retroalimentación). ^{[ 8 ]}

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

• El circuito mecánico , que conecta los controles de la cabina con los circuitos hidráulicos. Al igual que el sistema mecánico de control de vuelo, consta de varillas, cables, poleas y, a veces, cadenas.
• El circuito hidráulico cuenta con bombas, depósitos, filtros, tuberías, válvulas y actuadores. Los actuadores se alimentan de la presión hidráulica generada por las bombas del circuito y la transforman en movimientos de las superficies de control. Las servoválvulas electrohidráulicas controlan el movimiento de los actuadores.

El movimiento de un control por parte del piloto provoca que el circuito mecánico abra la servoválvula correspondiente en el circuito hidráulico. El circuito hidráulico alimenta los actuadores, que a su vez mueven las superficies de control. A medida que el actuador se mueve, la servoválvula se cierra mediante un mecanismo de retroalimentación mecánica , que detiene el movimiento de la superficie de control en la posición deseada.

Esta configuración se encontraba en los aviones de transporte a reacción de diseño más antiguo y en algunas aeronaves de alto rendimiento. Algunos ejemplos son el Antonov An-225 y el Lockheed SR-71 .

Un sistema fly-by-wire (FBW) reemplaza el control manual de vuelo 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 fly-by-wire ), y las computadoras de control de vuelo determinan cómo mover los actuadores en cada superficie de control para proporcionar la respuesta esperada. Las órdenes de las computadoras también se introducen 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 .

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

En las alas flexibles, también conocidas como "perfiles aerodinámicos transformables", gran parte o la totalidad de la superficie del ala puede cambiar de forma en vuelo para desviar el flujo de aire, de manera similar a un ornitóptero . Las alas adaptables y flexibles son un proyecto tanto militar como comercial. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} El ala aeroelástica activa X-53 fue un proyecto conjunto de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, la NASA y Boeing . FlexSys también ha realizado esfuerzos notables, llevando a cabo pruebas de vuelo con perfiles aerodinámicos flexibles adaptados a una aeronave Gulfstream III. ^{[ 20 ]}

En los sistemas de control de flujo activo , las fuerzas en los vehículos se producen mediante el control de la circulación, en el que las piezas mecánicas más grandes y complejas se reemplazan por sistemas fluidos más pequeños y simples (ranuras que emiten flujos de aire) donde las fuerzas mayores en los fluidos se desvían mediante chorros o flujos de fluido más pequeños de forma intermitente, para cambiar la dirección de los vehículos. ^{[ 21 ] [ 22 ]} En esta aplicación, el control de flujo activo promete simplicidad y menor masa, costos (hasta la mitad menos), inercia y tiempos de respuesta. Esto se demostró en el UAV Demon , que voló por primera vez en el Reino Unido en septiembre de 2010. ^{[ 23 ]}

• Informe de la USAF y la OTAN RTO-TR-015 AC/323/(HFM-015)/TP-1 (2001).