Avión de tres superficies

Durante los años pioneros de la aviación, se volaron varias aeronaves con superficies auxiliares tanto delanteras como traseras. El problema del control frente a la estabilidad no se comprendía bien y, por lo general, el control de cabeceo se realizaba en la superficie delantera, mientras que la superficie trasera también se elevaba, lo que provocaba inestabilidad en cabeceo. El Kress Drachenflieger de 1901 y el triplano Dufaux de 1908 tenían potencia insuficiente para despegar. Entre los tipos más exitosos se encuentran el Voisin-Farman I (1907) y el Curtiss No. 1 (1909). Los hermanos Wright también experimentaron con el diseño básico del Flyer en un esfuerzo por obtener tanto controlabilidad como estabilidad, volándolo en varias ocasiones primero con canard, luego con tres superficies y finalmente con configuraciones convencionales. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Al estallar la Primera Guerra Mundial en 1914, el ala principal con una superficie de cola trasera más pequeña se había convertido en la configuración convencional y pocos tipos de tres superficies volarían durante muchos años. Tanto el Fokker V.8 de 1917 como el Caproni Ca.60 Noviplano de 1921 fueron un fracaso.

En la década de 1920, George Fernic desarrolló la idea de dos superficies sustentadoras en tándem, junto con un plano de cola convencional. El pequeño plano delantero estaba sometido a una alta carga y, a medida que aumentaba el ángulo de ataque, estaba diseñado para entrar en pérdida primero, provocando que el morro descendiera y permitiendo que la aeronave se recuperara de forma segura sin que el ala principal entrara en pérdida. Esta pérdida "suave" proporciona un nivel de seguridad en la pérdida que no suele estar presente en los diseños convencionales. El Fernic T-9 , un monoplano de tres superficies, realizó su primer vuelo en 1929. Fernic falleció en un accidente mientras volaba su sucesor, el FT-10 Cruisaire. ^{[ 4 ]}

Es posible lograr una entrada en pérdida suave con un diseño de canard puro , pero entonces resulta difícil controlar el cabeceo y pueden desarrollarse oscilaciones a medida que el plano delantero levanta repetidamente el morro, entra en pérdida y se recupera. Además, en el diseño debe tenerse cuidado de que la estela turbulenta del plano delantero en pérdida no perturbe el flujo de aire sobre el ala principal lo suficiente como para causar una pérdida significativa de sustentación y anular el momento de cabeceo hacia abajo . En el diseño de tres superficies, la tercera superficie, la de cola, no entra en pérdida y proporciona una mejor controlabilidad.

En la década de 1950, James Robertson desarrolló su Skyshark experimental. Este era un diseño ampliamente convencional, pero con una variedad de características, incluyendo un pequeño plano delantero canard, destinado a proporcionar no solo una entrada en pérdida segura, sino también un buen rendimiento de despegue y aterrizaje cortos (STOL). El plano delantero permitió lograr el rendimiento STOL sin los altos ángulos de ataque y los peligros de entrada en pérdida que requieren los diseños STOL convencionales. La aeronave fue evaluada por el Ejército de los EE. UU. ^{[ 5 ]} El sistema de Robertson se comercializó como el Wren 460 , una avioneta Cessna modificada. Esta a su vez fue posteriormente licenciada y producida durante la década de 1980 como el Peterson 260SE y, con la modificación del plano delantero únicamente, como el 230SE. En 2006, una variante reforzada, el Peterson Katmai , entró en producción. Un enfoque ampliamente similar es adoptado por el Eagle-XTS de 1988 ^{[ 6 ]} y sus derivados, la serie Eagle 150 .

Alrededor de 1979, los diseñadores de aviones militares comenzaron a estudiar configuraciones de tres superficies como una forma de proporcionar mayor maniobrabilidad y control, especialmente a bajas velocidades y altos ángulos de ataque como durante el despegue y el combate. ^{[ 7 ]} En Estados Unidos, el Grumman X-29 experimental voló en 1984 y un McDonnell Douglas F-15 modificado , el F-15 STOL/MTD , en 1988, pero estos diseños no tuvieron continuidad. En la Unión Soviética , un Sukhoi Su-27 modificado con planos canard delanteros voló en 1985 ^{[ 8 ]} y los derivados de este diseño se convirtieron en los únicos tipos militares de tres superficies en entrar en producción.

También en 1979, Piaggio inició estudios de diseño para un bimotor turbohélice civil de tres superficies que, en colaboración con Learjet , se convertiría en el Piaggio P.180 Avanti . Este modelo realizó su primer vuelo en 1986 y entró en servicio en 1990, y su producción continúa hasta la actualidad. En el Avanti, se afirma que la configuración de tres superficies reduce significativamente el tamaño, el peso y la resistencia aerodinámica de las alas en comparación con el equivalente convencional. ^{[ 9 ]}

Posteriormente, Scaled Composites construyó dos aeronaves experimentales con esta configuración bajo la dirección de Burt Rutan , las cuales realizaron su primer vuelo en 1988. El Triumph era un avión a reacción bimotor turbofán muy ligero diseñado para Beechcraft . Las pruebas de vuelo validaron el rango de rendimiento previsto. ^{[ 10 ] [ 11 ]} El Catbird era un avión monomotor de hélice, concebido por Rutan como reemplazo del Beechcraft Bonanza . Posee el récord mundial de velocidad en un circuito cerrado de 5000 km (3100 mi) sin carga útil, de 334,44 km/h (207,81 mph) , establecido en 2014. ^{[ 12 ]}    

En la mayoría de las aeronaves, el centro de presión del ala se desplaza hacia adelante y hacia atrás según las condiciones de vuelo. Si no se alinea con el centro de gravedad , se debe aplicar una fuerza correctiva o de compensación para evitar que la aeronave cabecee y, por lo tanto, mantener el equilibrio. ^{[ 16 ]}

En una aeronave convencional, esta fuerza de compensación de cabeceo la aplica un estabilizador horizontal . En muchos diseños modernos, el centro de presión del ala suele estar detrás del centro de gravedad, por lo que el estabilizador horizontal debe ejercer una fuerza hacia abajo. ^{[ 17 ]} Cualquier sustentación negativa generada por la cola debe compensarse con sustentación adicional del ala principal, lo que aumenta la superficie alar, la resistencia aerodinámica y los requisitos de peso.

En una aeronave de tres superficies, las fuerzas de compensación de cabeceo pueden distribuirse, según sea necesario durante el vuelo, entre el plano delantero y el plano de cola. El equilibrio se logra mediante la sustentación del plano delantero en lugar de la fuerza descendente del plano de cola. Ambos efectos, la reducción de la fuerza descendente y la fuerza de sustentación adicional, disminuyen la carga sobre el ala principal.

El Piaggio P.180 Avanti tiene flaps tanto en el ala delantera como en el ala principal. Ambos flaps se despliegan de forma conjunta para mantener la neutralidad de cabeceo durante el despegue y el aterrizaje. ^{[ 9 ]}

En un avión con configuración canard , para lograr una estabilidad de cabeceo estática natural en vuelo normal, el plano delantero debe proporcionar sustentación. Además, para que el avión tenga características de pérdida seguras , el plano delantero debe entrar en pérdida antes que el ala principal, lo que provoca que el avión incline hacia abajo y le permite recuperarse. Esto implica que debe utilizarse un margen de seguridad en la superficie del ala principal para que su coeficiente de sustentación y carga alar máximos nunca se alcancen en la práctica. Esto, a su vez, significa que el ala principal debe ser de mayor tamaño.

En una aeronave de tres superficies, el estabilizador horizontal actúa como un estabilizador horizontal convencional . En caso de pérdida, incluso si el ala principal entra en pérdida, el estabilizador horizontal puede proporcionar un momento de cabeceo hacia abajo y permitir la recuperación. De este modo, el ala puede utilizarse hasta su coeficiente de sustentación máximo, una ventaja que puede traducirse en una reducción de su superficie y peso.

Un plano de cola sustentador se sitúa delante del centro de gravedad, de modo que su momento de sustentación actúa en la misma dirección que cualquier movimiento de cabeceo. Para que la aeronave sea naturalmente estable, el tamaño, la pendiente de sustentación y el brazo de palanca del plano de cola deben elegirse de forma que no contrarresten el momento estabilizador proporcionado por el ala y el plano de cola. Por lo tanto, las limitaciones de estabilidad restringen la relación de volumen del plano de cola (una medida de su eficacia en términos de equilibrio y estabilidad), lo que a su vez puede limitar su capacidad para compartir las fuerzas de compensación de cabeceo, como se describió anteriormente.

El tamaño mínimo de las alas sustentadoras de una aeronave viene determinado por: el peso de la aeronave, la fuerza necesaria para contrarrestar la sustentación negativa producida por el estabilizador horizontal, las velocidades de despegue y aterrizaje previstas y el coeficiente de sustentación de las alas.

La mayoría de los aviones modernos utilizan flaps en el borde de salida del ala principal para aumentar el coeficiente de sustentación durante el despegue y el aterrizaje, lo que permite que el ala sea más pequeña de lo que sería necesario de otro modo. Esto puede reducir el peso del ala y siempre reduce su superficie. La reducción de la superficie disminuye proporcionalmente la resistencia aerodinámica a todas las velocidades.

Una desventaja del uso de flaps en el borde de salida es que generan un momento de cabeceo negativo significativo durante su funcionamiento. Para contrarrestar este momento, el estabilizador horizontal debe ser algo más grande de lo habitual, de modo que pueda generar la fuerza suficiente para compensar el momento de cabeceo negativo creado por los flaps. Esto, a su vez, implica que el ala principal debe ser algo más grande de lo necesario para compensar la mayor sustentación negativa producida por el estabilizador horizontal de mayor tamaño.

En un avión con configuración canard, el plano delantero proporciona sustentación positiva durante el despegue, reduciendo así parte de la fuerza descendente que, de otro modo, tendría que generar el estabilizador trasero. Sin embargo, el ala principal debe ser lo suficientemente grande no solo para levantar el peso restante del avión durante el despegue, sino también para proporcionar un margen de seguridad adecuado que evite la entrada en pérdida. En un avión de tres superficies, ninguna de estas limitaciones existe y el ala principal puede reducirse de tamaño, disminuyendo así el peso y la resistencia aerodinámica. Se afirma que la superficie total de todas las superficies alares de un avión de tres superficies puede ser menor que la de un avión equivalente de dos superficies, reduciendo así tanto el peso como la resistencia aerodinámica.

El área mínima en crucero se puede reducir aún más mediante el uso de dispositivos de alta sustentación convencionales, como los flaps, lo que permite que un diseño de tres superficies tenga un área de superficie mínima en todos los puntos de la envolvente de vuelo. ^{[ 9 ]}

Ejemplos de aeronaves de tres superficies de área reducida incluyen el Piaggio P.180 Avanti y los Scaled Composites Triumph y Catbird . Estas aeronaves fueron diseñadas para exponer un área superficial total mínima a la corriente de aire, reduciendo así la resistencia superficial para lograr mayor velocidad y eficiencia de combustible. Varias reseñas comparan la velocidad máxima y el techo de servicio del Avanti con los de aeronaves a reacción de gama baja, e informan una eficiencia de combustible significativamente mejor a velocidad de crucero. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Piaggio atribuye este rendimiento en parte a la configuración de la aeronave, afirmando una reducción del 34 % en el área total del ala en comparación con una configuración convencional. ^{[ 9 ] [ 15 ]}

• Garrison, P .; ASPECTOS TÉCNICOS: Three's Company ; Flying , diciembre de 2002, págs. 85-86