mecánicos de vuelo de aeronaves

La mecánica de vuelo de las aeronaves es relevante para las aeronaves de ala fija ( planeadores , aviones ) y de ala rotatoria ( helicópteros ). Un avión ( o aeroplano en el uso estadounidense) se define en la OACI , según el documento Erode 9110, como "una aeronave más pesada que el aire, impulsada por motor, que obtiene su sustentación principalmente de las reacciones aerodinámicas sobre superficies que permanecen fijas bajo determinadas condiciones de vuelo".

Cabe señalar que esta definición excluye tanto a los dirigibles (ya que obtienen sustentación por flotabilidad en lugar de por el flujo de aire sobre superficies) como a los cohetes balísticos (porque su fuerza de sustentación se deriva normalmente de forma directa y exclusiva del empuje casi vertical). Técnicamente, se podría decir que ambos experimentan "mecánica de vuelo" en el sentido más general de fuerzas físicas que actúan sobre un cuerpo que se mueve por el aire ; pero funcionan de manera muy diferente y, por lo general, quedan fuera del alcance de este término.

Una aeronave (un aparato más pesado que el aire) solo puede volar si actúan una serie de fuerzas aerodinámicas. En el caso de las aeronaves de ala fija, el fuselaje sostiene las alas antes del despegue. En el momento del despegue, ocurre lo contrario y las alas sostienen el avión durante el vuelo.

En vuelo, una aeronave motorizada puede considerarse sometida a cuatro fuerzas: sustentación , peso , empuje y resistencia . ^{[ 1 ]} El empuje es la fuerza generada por el motor (ya sea un motor a reacción , una hélice o, en casos exóticos como el X-15 , un cohete ) y actúa hacia adelante para vencer la resistencia. ^{[ 2 ]} La sustentación actúa perpendicularmente al vector que representa la velocidad de la aeronave con respecto a la atmósfera. La resistencia actúa paralelamente al vector de velocidad de la aeronave, pero en la dirección opuesta, ya que se opone al movimiento a través del aire. El peso actúa a través del centro de gravedad de la aeronave , hacia el centro de la Tierra.

En vuelo recto y nivelado , la sustentación es aproximadamente igual al peso y actúa en dirección opuesta. Además, si la aeronave no está acelerando, el empuje es igual y opuesto a la resistencia. ^{[ 3 ]}

En vuelo recto ascendente, la sustentación es menor que el peso. ^{[ 4 ]} Al principio, esto parece incorrecto porque si una aeronave está ascendiendo, parece que la sustentación debe superar el peso. Cuando una aeronave asciende a velocidad constante, es su empuje lo que le permite ascender y ganar energía potencial adicional. La sustentación actúa perpendicularmente al vector que representa la velocidad de la aeronave con respecto a la atmósfera, por lo que la sustentación no puede alterar la energía potencial o la energía cinética de la aeronave. Esto se puede ver al considerar una aeronave acrobática en vuelo vertical recto (una que está ascendiendo directamente hacia arriba o descendiendo directamente hacia abajo). El vuelo vertical no requiere sustentación. Cuando vuela directamente hacia arriba, la aeronave puede alcanzar velocidad aerodinámica cero antes de caer hacia la tierra; el ala no genera sustentación y, por lo tanto, no entra en pérdida. En vuelo recto ascendente a velocidad aerodinámica constante, el empuje supera la resistencia.

En vuelo descendente recto, la sustentación es menor que el peso. ^{[ 5 ]} Además, si la aeronave no está acelerando, el empuje es menor que la resistencia. En vuelo de viraje, la sustentación supera el peso y produce un factor de carga mayor que uno, determinado por el ángulo de alabeo de la aeronave . ^{[ 6 ]}

Existen tres formas principales en que una aeronave puede cambiar su orientación con respecto al aire que la rodea: cabeceo (movimiento del morro hacia arriba o hacia abajo, rotación alrededor del eje transversal), alabeo (rotación alrededor del eje longitudinal, es decir, el eje que recorre la longitud de la aeronave) y guiñada (movimiento del morro hacia la izquierda o hacia la derecha, rotación alrededor del eje vertical). Para girar la aeronave (cambiar de rumbo), primero debe alabearla para alcanzar un ángulo de inclinación (con el fin de producir una fuerza centrípeta); una vez logrado el cambio de rumbo deseado, debe alabearla nuevamente en la dirección opuesta para reducir el ángulo de inclinación a cero. La sustentación actúa verticalmente hacia arriba a través del centro de presión, que depende de la posición de las alas. La posición del centro de presión cambia con las variaciones en el ángulo de ataque y la configuración de los flaps de las alas de la aeronave.

El guiñada se induce mediante un timón de dirección móvil. El movimiento del timón modifica la magnitud y la orientación de la fuerza que produce la superficie vertical. Dado que la fuerza se genera a cierta distancia del centro de gravedad, esta fuerza lateral produce un momento de guiñada y, posteriormente, un movimiento de guiñada. En aeronaves grandes, puede haber varios timones independientes en la misma aleta, tanto por seguridad como para controlar las acciones interrelacionadas de guiñada y alabeo.

Utilizar únicamente el giro no es una forma eficiente de realizar un viraje nivelado en una aeronave y provocará cierto deslizamiento lateral. Se debe generar una combinación precisa de alabeo y sustentación para producir las fuerzas centrípetas necesarias sin generar deslizamiento lateral.

El cabeceo se controla mediante la articulación de la parte trasera del estabilizador horizontal del plano de cola , que crea un elevador . Al mover el control del elevador hacia atrás, el piloto lo eleva (posición de curvatura negativa) y aumenta la fuerza descendente sobre el estabilizador horizontal. El ángulo de ataque de las alas aumenta, por lo que el morro se eleva y, en general, aumenta la sustentación. En ultraligeros y alas delta, el mecanismo de cabeceo se invierte: el sistema de control de cabeceo es mucho más sencillo, por lo que cuando el piloto mueve el control del elevador hacia atrás, se produce un cabeceo hacia abajo y se reduce el ángulo de ataque del ala.

El sistema de una superficie de cola fija y elevadores móviles es estándar en aeronaves subsónicas. Las aeronaves capaces de vuelo supersónico suelen tener un estabilizador , una superficie de cola totalmente móvil. En este caso, el cabeceo se cambia moviendo toda la superficie horizontal de la cola. Esta innovación aparentemente simple fue una de las tecnologías clave que hicieron posible el vuelo supersónico. En los primeros intentos, cuando los pilotos superaban el número Mach crítico , un extraño fenómeno hacía inútiles sus superficies de control y hacía incontrolable su aeronave. Se determinó que, a medida que una aeronave se acerca a la velocidad del sonido, el aire que se aproxima a ella se comprime y comienzan a formarse ondas de choque en todos los bordes de ataque y alrededor de las líneas de bisagra del elevador. Estas ondas de choque hacían que los movimientos del elevador no produjeran ningún cambio de presión en el estabilizador aguas arriba del elevador. El problema se resolvió cambiando el estabilizador y el elevador articulado por un estabilizador totalmente móvil: toda la superficie horizontal de la cola se convirtió en una superficie de control de una sola pieza. Además, en vuelo supersónico, el cambio en la curvatura tiene menos efecto sobre la sustentación y un estabilizador produce menos resistencia .

Las aeronaves que requieren control en ángulos de ataque extremos a veces se equipan con una configuración canard , en la que el movimiento de cabeceo se genera mediante un plano delantero (aproximadamente a la altura de la cabina). Este sistema produce un aumento inmediato en la autoridad de cabeceo y, por lo tanto, una mejor respuesta a los controles de cabeceo. Este sistema es común en aeronaves de ala delta, que utilizan un plano delantero canard tipo estabilizador. Una desventaja de la configuración canard en comparación con una cola trasera es que el ala no puede utilizar tanta extensión de flaps para aumentar la sustentación a bajas velocidades debido al rendimiento de entrada en pérdida. Una aeronave tri-superficie combinada utiliza tanto un canard como una cola trasera (además del ala principal) para obtener las ventajas de ambas configuraciones.

Otro diseño de estabilizador horizontal es la cola en V , llamada así porque, en lugar de la cola en T invertida o en T estándar, tiene dos aletas inclinadas en forma de V, separadas entre sí. Las superficies de control actúan entonces como timones y elevadores, moviéndose en la dirección adecuada según sea necesario.

El alabeo se controla mediante secciones móviles en el borde de salida de las alas llamadas alerones . Los alerones se mueven en direcciones opuestas: uno sube mientras el otro baja. La diferencia en la curvatura del ala provoca una diferencia en la sustentación y, por lo tanto, un movimiento de alabeo. Además de los alerones, a veces también hay spoilers : pequeñas placas articuladas en la superficie superior del ala, utilizadas originalmente para generar resistencia aerodinámica y reducir la velocidad de la aeronave, así como para disminuir la sustentación durante el descenso. En las aeronaves modernas, que cuentan con automatización, pueden utilizarse en combinación con los alerones para controlar el alabeo.

Los primeros aviones a motor construidos por los hermanos Wright no tenían alerones. El ala entera se deformaba mediante cables. Esta deformación era eficiente, ya que no presentaba discontinuidades en su geometría, pero a medida que aumentaba la velocidad, la deformación involuntaria se convirtió en un problema, por lo que se desarrollaron los alerones.

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• LJ Clancy (1975). Aerodinámica . Capítulo 14 Mecánica elemental del vuelo . Pitman Publishing Limited, Londres. ISBN 0-273-01120-0
• Stengel, Robert F. (2022). Dinámica de vuelo (2.ª  ed.). Princeton University Press. ISBN 978-0-691-23704-6