¿Por qué los timones del F/A-18 se desvían en direcciones opuestas durante el despegue?

Ala viviente

El Super Hornet tiene un ala viva, es decir, la forma del ala está en constante movimiento a lo largo de cada régimen de vuelo. Los flaps del borde de salida, los flaps del borde de ataque, las puñaladas, los timones y los alerones se mueven todos juntos para dar al piloto el mayor control durante las fases particulares del vuelo.

Esto es evidente por el uso del interruptor de flaps. Las tres posiciones de las aletas son Automático (arriba), Medio y Completo. Up auto significa que el sistema de control de vuelo (FCS) cambiará dinámicamente el ala en función de lo que cree que el piloto está tratando de hacer. Sin embargo, cuando el interruptor de flaps se coloca en las posiciones media y completa, el FCS cambia al modo de aterrizaje y todas las entradas del control de vuelo se interpretarán como tales. A pesar de que el interruptor de flaps se ha colocado en medio/lleno, el piloto solo ha cambiado la lógica FCS, en realidad no ha ordenado a los flaps que se fijen en una posición. No hay ganancias fijas (posiciones de flaps) como las que hay en los aviones comerciales típicos. En su lugar, la computadora ajusta la posición de los flaps para imitar una posición de flaps medio/lleno, al mismo tiempo que le da al piloto la plataforma más estable posible para aterrizar. Sin embargo, la lógica tiene sus límites y si el piloto supera los 14 AoA en un modo de aterrizaje (flaps medio o llenos), el FCS puede salir accidentalmente del avión. Obviamente, esto es malo a 200 pies sobre el suelo. Este interruptor ordena al FCS que tome decisiones de control de vuelo y es el interruptor entre los modos de vuelo táctico y de aterrizaje.

Convergencia del timón

El efecto particular al que hace referencia se llama convergencia del timón. A velocidades más bajas, particularmente durante ángulos de ataque altos, es posible que los estabilizadores no proporcionen suficiente autoridad de morro para rotar el morro con rapidez. El área masiva del ala del Rhino tiende a bloquear el flujo de aire sobre las puñaladas. Para remediar este problema, los timones del Rhino se desviarán automáticamente hacia el interior y crearán una fuerza hacia abajo, que inclinará el morro hacia arriba. Mientras el timón está apuntado hacia adentro, el piloto todavía puede usar los timones para guiñar la aeronave. El FCS mueve selectivamente la posición del timón para generar el movimiento de guiñada, incluso mientras retiene la posición de avance.

Despegue y aterrizaje

Durante el despegue, el timón permanecerá en la posición de convergencia durante 10 segundos fijos después de que detecte peso fuera de las ruedas. Esto evita que la aeronave pase accidentalmente los timones (y pierda la autoridad de morro) durante una de las fases más críticas del vuelo (las fallas de la sonda AoA en realidad harán que los timones pasen automáticamente, y este problema se elimina con un tiempo fijo). Durante el En la parte de aterrizaje del vuelo, los timones también se moverán para dar a la aeronave más autoridad de morro, y el FCS maneja esto automáticamente una vez que el piloto ordena a la aeronave que entre en modo de aterrizaje colocando el interruptor de flaps en la posición automática.

Otras funciones

Si bien el Rhino tiene pequeños frenos de velocidad que se extienden durante el despliegue completo del freno de velocidad, el método principal para aumentar la resistencia para reducir rápidamente la velocidad de la aeronave es mediante el uso de las superficies de control. El FCS aumentará la resistencia al bajar los flaps, girar los timones, bajar los alerones y desviar las cuchillas, todo mientras le brinda al piloto una plataforma estable para volar el avión: es un avión impresionante.

Durante maniobras alfa altas, el Rhino volverá a desviar los timones a la posición de convergencia mientras el interruptor de flaps está en automático. Con la lógica FCS en automático, las computadoras intentarán mantener el control de la aeronave durante las maniobras de rendimiento máximo y programarán automáticamente los flaps y los timones para compensar el AoA alto y el vuelo a baja velocidad. Debido a que el morro está levantado y el flujo de aire se interrumpe sobre las puñaladas, los timones volverán a crear esa fuerza de cabeceo que ayudará al piloto a mantener la autoridad del morro en cualquier régimen de vuelo.

Emergencias

Como se indicó anteriormente, hay ocasiones en las que los timones pueden desviarse repentinamente, lo que puede tener efectos devastadores durante la porción final para aterrizar. Las fallas del timón son problemas graves y deben tratarse como tales. Se usarán velocidades de aterrizaje más altas y precaución adicional, y el piloto debe comprender que las salidas de onda pueden ser imposibles debido a la falta de autoridad de morro cerca de la rampa.

Los timones se desvían hacia adentro durante el despegue del F/A-18E para ayudar a levantar el morro del avión cuando abandona el barco. Como las aletas verticales se inclinan hacia afuera, desviar ambos timones hacia adentro genera una fuerza aerodinámica que, debido a su ubicación detrás del centro de gravedad, crea un momento de cabeceo hacia arriba.

Esta posición de los timones durante el despegue es común a todos los F-18, incluidos los CF-18 canadienses, que no se utilizan en operaciones de portaaviones.

^{Fuente: mybirdie.ca}

Casi todas las aeronaves con cola inclinada ( F22 , F35 , etc.) pueden (y lo hacen) usar sus timones para cabecear en conjunto con los elevadores. Los timones también se utilizan durante el aterrizaje. El principio no es muy diferente y la computadora FBW maneja todas estas operaciones de la superficie de control por lo general.

^{Fuente: reddit.com}

Los timones también se utilizan como aerofrenos. El F18 tenía un freno de aire, que se eliminó en F/A-18E/F, y las superficies de control se utilizan como frenos de aire.

^{" FA-18 Trap " del cargador original era E2a2j en en.wikipedia - Transferido de en.wikipedia; transferido a Commons por Usuario:Mo7amedsalim usando CommonsHelper. Licenciado bajo dominio público a través de Commons .}

Los timones están en esta posición durante el despegue/aterrizaje y, una vez que la aeronave navega, se alinean con la cola vertical para reducir la resistencia. Sin embargo, pueden usarse para desacelerar la aeronave en vuelo, si es necesario. Una vez más, es la computadora la que hace el trabajo.

^{Fuente: www.f-16.net/forum/}

La verdadera razón: el efecto suelo no se consideró durante el desarrollo.

El efecto suelo reduce la pendiente de la curva de sustentación de las superficies de sustentación, y la posición baja de la cola del F-18 hace que este efecto sea muy notorio durante el despegue. Durante el desarrollo, este efecto no se consideró y, en consecuencia, el F-18 no podía girar a la velocidad calculada cuando entró en pruebas de vuelo. Esto aumentó la distancia de despegue y exigió un aumento en la autoridad de cabeceo a baja velocidad. Como explica Jan Roskam en su libro " Historias de guerra de aviones de Roskam " (Historia de guerra 108):

Cuando el primer caza F-18 […] fue probado en vuelo en Patuxent River, se hizo evidente que el avión no giraría a la velocidad prevista. Esto hizo que el rendimiento de campo del avión fuera inaceptable. El problema se atribuyó a un error en el cálculo de las fuerzas aerodinámicas en el efecto suelo. Esto es particularmente grave en el caso de un estabilizador horizontal colocado bajo. Como resultado, no había suficiente capacidad de descarga para efectuar la rotación temprana durante el recorrido de despegue.

El problema se solucionó con la convergencia de los timones. Un interruptor de posición en cuclillas en el tren principal desvía los timones para que se desvíen hacia adentro mientras están en el suelo. Esto crea suficiente presión positiva sobre el fuselaje de popa para efectuar una rotación temprana.

Esta solución, aunque impresionante, tuvo un precio. Todo el software de control de vuelo tuvo que ser revalidado. Además, los interruptores de posición en cuclillas representaban una complejidad adicional del sistema.

Hay otra razón: con los timones fijos, el F-18 es longitudinalmente inestable en un ángulo de ataque entre 7° y 11° (ver gráfico de la izquierda a continuación). Al programar la extensión de la convergencia sobre el ángulo de ataque (consulte el diagrama central), el avión se puede estabilizar (consulte el diagrama de la derecha a continuación). El siguiente gráfico está copiado de esta presentación del MIT y debería explicar el truco muy bien:

Tenga en cuenta que la convergencia del timón ya se usa en el F-18A original, no solo en los Super Hornets y sus "alas vivientes".

Son los timones que actúan como un timón para ayudar a cabecear. Esto es posible porque se inclinan un poco hacia afuera.