De acuerdo con el informe de accidente de la NTSB sobre el accidente del vuelo 427 de USAir , todas las aeronaves comerciales tienen una velocidad de cruce (la velocidad a la que la fuerza de balanceo máxima de los alerones y spoilers de la aeronave es suficiente para contrarrestar la fuerza de balanceo generada por un cambio completo del timón). ; por encima de esta velocidad, un timón rígido puede soportarse con suficiente entrada del yugo, mientras que por debajo de esta velocidad, un timón rígido causará una pérdida de control inmediata), que aumenta en proporción con el factor de carga vertical de la aeronave (de modo que la velocidad aerodinámica cruzada en , digamos, 4 Gs serán más altos que 1 G) 1 :
Varias condiciones de prueba de vuelo requerían que los pilotos de prueba mantuvieran el control del avión y, si era posible, un rumbo constante (o constante) usando la rueda de control para oponerse a las deflexiones totales de la superficie del timón. Estas pruebas revelaron que, en la configuración de flaps 1 y a ciertas velocidades, la autoridad de alabeo (utilizando spoilers y alerones) no era suficiente para contrarrestar completamente los efectos de alabeo de un timón desviado hasta su límite de purga. Los participantes del grupo de prueba se refirieron a la velocidad aérea a la que el control de balanceo máximo (autoridad de balanceo total proporcionada por la entrada de la rueda de control) ya no podía contrarrestar los efectos de guiñada/balanceo de un timón desviado a su límite de purga como “velocidad cruzada”.
Las pruebas de vuelo revelaron que, en la configuración de flaps 1 y con un peso estimado de la aeronave de 110 000 libras, la velocidad aérea de cruce del 737-300 era de 187 KCAS a un G. A velocidades aéreas superiores a 187 KCAS, el balanceo inducido por una desviación total del timón podría ser corregido por la entrada de la rueda de control; sin embargo, en la misma configuración a velocidades aerodinámicas de 187 KCAS e inferiores, el balanceo inducido por una desviación total del timón no pudo eliminarse por completo mediante la entrada total de la rueda de control en la dirección opuesta, y el avión continuó rodando en la dirección de la desviación del timón . Los datos de la prueba de vuelo también confirmaron que un aumento en el factor de carga vertical, o ángulo de ataque, resultó en un aumento en la velocidad aerodinámica cruzada.
... Las simulaciones de vuelo del M-CAB indicaron que, con un timón desviado hasta su límite aerodinámico de purga y en la configuración y condiciones del avión accidentado del vuelo 427 de USAir, no se podía eliminar por completo el balanceo (y no se podía controlar el avión). recuperarse) mediante el uso de entradas de rueda de control total si la velocidad aerodinámica permanecía por debajo de 187 KCAS... Para devolver el avión a una actitud de alas niveladas, los pilotos tenían que evitar maniobras excesivas que aumentarían el factor de carga vertical, o ángulo de ataque, y así aumentar la velocidad aerodinámica de cruce.
... Un piloto describió cómo el avión respondería inicialmente a las entradas de los alerones y comenzaría a salir de la actitud de inclinación lateral inducida por el timón y cómo, tirando hacia atrás de la columna de control y agregando un factor de carga vertical, la recuperación podría detenerse y el avión podría quedarse colgado en un banco lateral. El piloto de pruebas dijo que no aplicó entradas adicionales de la columna de popa en estos momentos, pero que estas entradas habrían causado que el avión "girara hacia el timón". El piloto concluyó que “puedes controlar la velocidad de balanceo con la columna de control”. El otro piloto de pruebas de Boeing dijo que, al referirse a las entradas de control requeridas para realizar una recuperación de la entrada completa del timón, "se requiere alguna técnica entre el G [factor de carga normal] y el balanceo".
Los pilotos de prueba de vuelo afirmaron que el Boeing M-CAB y los modelos de simulación por computadora incorporaron la compensación entre el factor de carga normal y el control de balanceo, pero que la compensación ocurrió con un factor de carga mayor en el simulador que en el avión...
Los pilotos de pruebas de vuelo de Boeing declararon que, cuando permitieron que la velocidad aerodinámica aumentara entre 220 y 225 KCAS (sacrificando la altitud necesaria para mantener la velocidad aerodinámica), el avión se recuperó fácilmente. Los pilotos informaron que, cuando iniciaron el evento a velocidades aerodinámicas más altas, el avión fue más fácil de controlar y que la recuperación se logró con menos balanceo... [páginas 63-65 del informe/páginas 87-89 del archivo PDF del informe]
El artículo de Boeing definió la velocidad aérea de cruce como la velocidad por debajo de la cual el momento de balanceo creado por una entrada de control lateral total no superará el efecto de balanceo del desplazamiento total del timón. El artículo afirmaba que “si bien la velocidad a la que esto ocurre es variable, existen velocidades cruzadas en todos los aviones comerciales...” [página 205/229]
... Sobre la base de la velocidad aerodinámica existente y el aumento de la carga G vertical, alrededor de las 1903:02, el avión habría estado por debajo de la velocidad aerodinámica a la que los controles de balanceo (alerones y spoilers) podrían contrarrestar los efectos del timón totalmente desviado. (velocidad cruzada). Por lo tanto, a partir de ese momento, habría sido imposible para la tripulación de vuelo recuperar el control de balanceo sin aumentar la velocidad aerodinámica y/o disminuir la carga G vertical del avión. [página 256/280]
Dado que los alerones y spoilers de un avión generalmente viajan a la misma velocidad que el timón (y, por lo tanto, deberían experimentar aumentos equivalentes en la autoridad de control con el aumento de la velocidad), ¿cómo puede su autoridad de control lateral superar la del timón más allá de cierta velocidad? A pesar de que las fuerzas aerodinámicas generadas por los alerones y los spoilers (y, por lo tanto, la autoridad de control de los mismos) aumentan a medida que aumenta la velocidad aerodinámica, ¿no debería este mismo efecto hacer que la autoridad de control del timón aumente también y permanezca por delante del alerón/ autoridad de control de spoiler? ¿Por qué la autoridad de control de los controles laterales aumenta con la velocidad aerodinámica más rápido que la autoridad de control del timón? Para esa materia, ¿Hay alguna razón en particular por la que la autoridad de control del timón tenga que ser mayor que la de los alerones y spoilers a bajas velocidades? El timón debe tener mucha autoridad de control para poder compensar una falla del motor justo por encima de V-1, pero ¿por qué los controles laterales no pueden tener aún más autoridad de control para poder compensar un timón? hardover a bajas velocidades?
¿Y por qué un aumento en el factor de carga vertical hace que aumente la velocidad aérea de cruce? Para que un avión experimente un alto factor de carga vertical, tiene que estar volando con un ángulo de ataque anormalmente grande. ¿No debería esto colocar el timón cada vez más en la estela de la cola horizontal y el fuselaje trasero, "borrando" el timón (reduciendo su autoridad de control) y causando así una disminución en la velocidad aérea de cruce?
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1 : Para el 737, la velocidad aerodinámica cruzada también depende de la configuración de los flaps de la aeronave, pero esa es otra cuestión .
¿Cómo pueden [los alerones y spoilers de un avión] la autoridad de control lateral superar la del timón más allá de cierta velocidad?
Esto depende del coeficiente de sustentación del ala. Con un coeficiente de sustentación más alto, el alerón inferior no puede agregar la misma cantidad de sustentación que podría con un coeficiente de sustentación más bajo. Mientras que el alerón levantado en el lado opuesto aún reducirá la sustentación localmente, el alerón bajado se vuelve menos efectivo para elevar la sustentación a medida que aumenta el coeficiente de sustentación. Un coeficiente de sustentación más alto provoca un pico de succión más alto cerca del borde de ataque y ejerce más presión sobre la capa límite, y agregar más de lo mismo será más difícil a medida que el ala se acerque a las condiciones de pérdida.
Otro factor es la guiñada adversa que aumenta con el coeficiente de sustentación. Esta guiñada adversa se sumará al momento de guiñada del timón rígido y aumentará el deslizamiento lateral, lo que a su vez producirá más momento de balanceo del diedro contra el efecto del alerón. A medida que la guiñada adversa disminuye con un coeficiente de sustentación más bajo, también lo hace el ángulo de deslizamiento lateral y los alerones ganan poder de control.
Tenga en cuenta que la aeroelasticidad reducirá la eficacia de todas las superficies de control a medida que aumenta la velocidad. Los detalles dependen de la rigidez torsional del fuselaje (que será torcido por el timón desviado) y del ala (que se deformará contra la desviación del alerón). Dependiendo de dónde sea mayor la rigidez, la velocidad de cruce y la eventual autoridad de balanceo a velocidades superiores pueden variar.
¿Por qué un aumento en el factor de carga vertical hace que aumente la velocidad aérea de cruce?
Porque un factor de carga más alto necesita un coeficiente de sustentación más alto cuando se vuela a la misma velocidad.
Esta es una adición a la respuesta aceptada de @Peter, que es la respuesta correcta en lo que respecta al B737.
La velocidad de cruce no es una nomenclatura estándar de la industria. Sospecho que este término, tal como se define aquí, está restringido al programa B737. No todos los aviones tienen una "velocidad de cruce" en su definición actual.
Como se señaló en el informe de accidentes de la NTSB , casi todas las aeronaves de la Parte 25 activadas por energía tienen rutas de control redundantes, con dos o más PCU independientes. En el caso del B737, tiene una sola PCU (aunque alimentada por sistemas hidráulicos duales redundantes), además de una PCU de reserva que normalmente no está presurizada junto con el sistema hidráulico de reserva. A menos que la aeronave detecte una falla hidráulica doble, la reversión al sistema de reserva es un proceso manual.
En el caso de USAir 427 y Eastwind 517, parece que la causa raíz de los accidentes radica en un atasco dentro de la PCU, lo que puede causar una inversión del timón en dirección opuesta a la dirección del mando. Una vez que se activa la inversión del timón, se siente más como un desbocado hasta el límite de carga del actuador (es decir, el límite de purga).
Si el timón se hubiera diseñado con rutas de control redundantes, este desbocamiento del timón no habría ocurrido debido a que los otros actuadores lucharon contra el atascado .
Sin embargo, el atasco del timón (no el desbocamiento) aún podría ocurrir con rutas de control activo-activo redundantes. Esto es algo que los fabricantes de aeronaves deben tener en cuenta al certificar para 14 CFR 25.671(c). Los fabricantes deben demostrar que la aeronave es capaz de continuar el vuelo seguro y aterrizar con el timón atascado.
Pero la posición en la que se atasca el timón debe estar en algún lugar que el piloto (o el control automático) haya ordenado previamente. Como puede imaginar, ordenar el timón a su recorrido completo (es decir, el límite de purga) es extremadamente raro, y tener un atasco allí sería extremadamente improbable durante la vida útil de la aeronave. Otros factores también evitan que el timón se atasque en su límite de purga; por ejemplo, muchas aeronaves tienen un limitador de recorrido del timón o un limitador de control del timón.
Por lo tanto, normalmente no necesitamos considerar el timón atascado por completo para la certificación. La posición exacta para la consideración de atascos ha sido un tema activo y ha estado sujeta a una tarea de ARAC . Generalmente, la posición de atasco depende de la maniobra y la fase de vuelo.
En resumen, debido a la naturaleza variada del atasco del timón, es posible que no haya una sola velocidad de cruce (en la definición B737), ni todos los aviones tienen esa velocidad.
Esto parece ser una cuestión de supresión de alerones vs timón. Un AoA más alto dejará en blanco el alerón levantado hacia arriba. Esto es lo que sucede a velocidades más bajas y mayor G "carga vertical" con ascensor. Posiblemente contribuyendo sería que el elevador también está desviando el flujo de aire en diagonal a través del timón, aumentando su longitud efectiva.
Aunque el timón está en blanco a mayor AOA, el efecto puede ser mayor en los alerones.
Esto podría probarse en un túnel de viento para una posible consideración de rediseño. Los alerones más grandes o las velocidades duales para velocidades más lentas pueden proporcionar una solución, así como la evaluación del timón.
Post Script: esencialmente, la aeronave entró en una pérdida de popa de ascensor con control cruzado. Tal vez ayudaría la tecnología más nueva (como la modificación de un conjunto de alerones de ala en conchas) para respaldar la función del timón.
Roberto DiGiovanni
Peter Kämpf
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