¿Cómo se diseña un ala para que sea a prueba de pérdida o giro?

En realidad son dos preguntas separadas. En ambos casos el ala no está sola, es toda la configuración, especialmente cuando se trata de giros.

Un puesto es inevitable. En algún momento, el flujo de aire sobre el ala comenzará a separarse, y si esta separación de flujo es lo suficientemente extensa como para limitar el aumento de la sustentación con el aumento del ángulo de ataque (AoA), el ala entra en pérdida.

Para que las características de entrada en pérdida sean benignas, el ala exterior aún debe tener un flujo mayormente adherido para permitir que los alerones corrijan el ángulo de balanceo. Si la entrada en pérdida comienza en la punta de un ala, lo que provoca una pérdida local de sustentación, la aeronave rodará sin control. El movimiento hacia abajo de la punta del ala durante el movimiento de balanceo aumenta aún más el ángulo de ataque, lo que hace que la entrada en pérdida sea irrecuperable. Usted logra el control de balanceo usando lavado en las puntas de las alas y/o usando perfiles aerodinámicos con un AoA máximo más alto, p. mediante el uso de listones en el ala exterior.

La segunda condición es una separación gradual del flujo, comenzando desde el borde de salida. Las viejas superficies aerodinámicas NACA de cinco dígitos tenían una característica de pérdida desagradable con la separación del flujo que comenzaba desde el borde de ataque, lo que resultaba en una caída repentina de la sustentación. Esto se logra mediante el diseño de la superficie superior con una distribución de presión adecuada a lo largo de la cuerda. Entonces la pérdida de sustentación sobre AoA será gradual, dando al piloto la oportunidad de recuperarse fácilmente.

En todos los casos, la cola (o en canards, el ala principal) debe permanecer en el régimen de flujo adjunto para permitir el control y la amortiguación del cabeceo. Además, la posición vertical de la cola debe ser ligeramente más baja que la estela del flujo separado, todavía lo suficientemente cerca como para que alguna turbulencia golpee el timón de profundidad (para que el piloto sienta la pérdida con la palanca/horquilla), pero lo suficientemente baja como para que el avión no entrará en pérdida profunda (donde el ala está completamente separada y la cola en la estela del ala, lo que reduce la autoridad de control hasta un punto en el que el piloto ya no puede cabecear).

Spinning necesita un fuselaje con algo de masa a lo largo. La rotación de esta masa a un AoA alto produce un momento de cabeceo necesario para estabilizar el giro. La cola debe ser capaz de producir el momento restante de cabeceo y un momento de guiñada para estabilizar el giro, pero también para terminarlo cuando el piloto así lo desee. Para esto, es importante que el timón no esté en la estela de la cola horizontal. El deHavilland Tiger Moth tiene dos tracas de aluminio delante del empenaje; sin ellos una pérdida es irrecuperable porque la autoridad del timón no es suficiente. Para terminar un giro en el F-14 , los planos de cola que volaban todo tenían que ser empujados hasta su ángulo mínimo de -70°, para que no obstruyeran el flujo hacia los dos timones. Solo cuando los pilotos tiraran, podrían terminar el giro.

Para que quede claro: normalmente, debe presionar para finalizar el giro. Especialmente en los planeadores con sus timones relativamente pequeños y gran inercia del ala, esto hará que la mayor parte del ala vuelva a la región de flujo normal, y la amortiguación del balanceo detendrá la rotación. Esto finaliza el cabeceo inercial desde el fuselaje y la aeronave puede recuperarse.

En configuraciones más dominadas por el fuselaje, terminas el giro aplicando timón contra la dirección del giro. Esto reduce la rotación, reduciendo el cabeceo inercial y permitiendo que el avión recupere su AoAs normal.

Aparte del puesto, no siempre es posible hacer un trompo. A veces, especialmente en ubicaciones con el centro de gravedad adelantado, la autoridad de cabeceo no será suficiente para estabilizar el giro. Puede entrar en pérdida y aplicar timón, pero el avión solo entrará en picado en espiral. Especialmente en los jets, el fuselaje delantero es un factor importante en los giros, porque produce una estela con un AoA alto que estabiliza el giro. Los detalles en la forma del fuselaje determinarán si la estela es suficiente para permitir los giros. Este es un tema complejo, lo siento, pero este alcance hace que sea difícil entrar en más detalles.

Hay varias formas en que se puede diseñar un avión pequeño para que sea resistente a las entradas en pérdida y los giros. Ambos casos son algo similares en el sentido de que ambos involucran casos en los que los controles de la aeronave se vuelven ineficaces y una entrada en pérdida puede provocar un giro si no se corrige adecuadamente. Si bien una pérdida depende en gran medida del ala de la aeronave, tanto las pérdidas como los giros también dependen de la geometría de toda la aeronave.

Aquí hay información interesante sobre giros y paradas. Wikipedia también tiene un buen artículo sobre giros . Hay requisitos de la FAA para aviones de un solo motor en FAR 23.221 .

Para mantener el control en una pérdida, se pueden instalar dispositivos como generadores de vórtice aguas arriba de los alerones. Si el flujo de aire se separa del ala antes de los alerones, el aire ya no fluye sobre las superficies de control, lo que provoca una pérdida de control. Los generadores de vórtice ayudan a que el flujo permanezca unido más allá de los alerones, ayudándolos a mantenerse efectivos en ángulos de ataque altos.

Además de los generadores de vórtices, el ala misma puede diseñarse para lograr un efecto similar. Las secciones interiores pueden diseñarse para entrar en pérdida antes que las secciones exteriores, de modo que la sustentación disminuya pero las secciones exteriores seguirán proporcionando sustentación y control.

La aeronave también se puede diseñar de tal manera que el elevador no tenga autoridad suficiente para entrar en pérdida total del avión, o no más allá de la autoridad de los alerones. El efecto del elevador también dependerá del centro de gravedad del avión, que tiene un rango sugerido pero lo determina el operador.

Un giro está relacionado con la geometría del avión, donde el flujo de aire que pasa por el ala "deja en blanco" las superficies de la cola. Esta geometría se puede organizar de manera que sea más difícil crear condiciones de giro. Sin embargo, los diseños de aeronaves convencionales tienden a ser inherentemente susceptibles a esto. La mayoría de las aeronaves están certificadas como "recuperables por giro", lo que significa que la aeronave girará, pero el piloto debería poder detener un giro con las entradas de control adecuadas. Mejorar las características de entrada en pérdida del avión también ayudará a evitar que se produzcan giros.

Es posible que desee ver el programa de investigación de giro de la NASA , descrito apropiadamente como un 'spin-off'. Hay un documento completo en la web en algún lugar donde lo publico si lo encuentro. El conocimiento obtenido de la investigación se incorporó en realidad a diseños más nuevos.

El Ercoupe se construyó como un avión de seguridad que no podía detenerse ni girar; sin embargo, ha habido varios accidentes que involucran al avión, como muestran los registros de accidentes.