¿Por qué un avión descendería rápidamente de manera descontrolada después de un giro pronunciado?

Markus Voelter entrevistó a Matt Hall para un episodio de su podcast omega tau . Discuten este incidente con más detalle a la 1:13:00.

La aeronave experimentó una pérdida g de alta velocidad, también llamada pérdida acelerada . La pérdida está determinada por el ángulo de ataque, que es el ángulo del flujo de aire que golpea el ala. La mayoría de las veces se piensa en la pérdida a baja velocidad, porque a medida que el avión va más lento, se necesita un ángulo de ataque más alto para proporcionar suficiente sustentación, hasta que alcanza el ángulo de ataque de pérdida y entra en pérdida. Pero esto también puede suceder a altas velocidades en un avión que realiza un giro de gran gravedad. Se requiere una sustentación mucho mayor para hacer que el avión gire, lo que significa que se necesita un ángulo de ataque mucho mayor. Intentar girar la aeronave con demasiada fuerza puede aumentar demasiado el ángulo de ataque y la aeronave se detiene a alta velocidad.

El otro factor es que el avión tenderá a rodar hacia la izquierda debido al par del motor y al factor P de la hélice . Dado que el avión ya estaba girando a la izquierda, esto más la entrada en pérdida hicieron que el avión rodara más de 90 grados y se dirigiera hacia el agua.

Otro agravante fue la estabilidad del avión, que se comenta a las 1:31:00. El CG estaba bastante hacia atrás, lo que hacía que el avión fuera menos estable . Los elevadores también estaban sobre balanceados, lo que significa que tenderían a hacer que el avión se inclinara aún más a medida que el avión tiraba de más g. Estos cambios ayudaron a que el avión fuera un poco más rápido, pero se corrigieron después del incidente para hacerlo más seguro.

En el lado de los factores humanos, Matt también menciona que tenía un resfriado en ese momento y tomó la decisión de atender una llamada telefónica justo antes de su vuelo, lo que significa que estaba distraído y no estaba en su mejor momento.

En otra parte de la entrevista, menciona que cuando vuela en espectáculos aéreos, es más conservador en su margen de seguridad que otros pilotos.

No necesitas el dinero si estás muerto. Así que es solo un espectáculo.

No he visto el video, pero tenga en cuenta que, en una aproximación de primer orden, la sustentación es perpendicular al perfil aerodinámico .

En un vuelo nivelado ordinario o cerca de él, esto hace que el vector de sustentación tenga una componente vertical hacia arriba significativa, que compensa muy bien la fuerza de gravedad que actúa hacia abajo sobre el peso de la aeronave.

Sin embargo, si el perfil aerodinámico (en este caso, las alas) son completamente verticales, entonces la sustentación generada por ese perfil aerodinámico se vuelve completamente horizontal. A las alas no les importa su ángulo con el suelo; sólo sobre el movimiento a través del aire circundante.

Sin embargo, la gravedad aún aplica esa misma fuerza vertical hacia abajo.

El vuelo nivelado (en cualquier actitud) requiere que haya una componente vertical hacia arriba en el vector de sustentación, y que esta componente sea la misma que la fuerza de gravedad vertical hacia abajo. Si los dos son desiguales, la aeronave ascenderá o, en este caso, descenderá.

Con la gravedad todavía tirando de la aeronave hacia abajo y la sustentación actuando horizontalmente (hacia los lados), no queda nada para mantener la altitud de la aeronave, y la aeronave hará la proverbial caída desde el cielo. Para recuperarse, es mejor que pueda nivelar el avión al menos un poco, para obtener un poco de elevación vertical de las alas.

Esta es también la razón por la que si no aplicamos sustentación ascendente adicional en un giro, perderemos altitud; el vector de sustentación tiene un componente vertical más pequeño (aunque el valor absoluto del vector de sustentación no cambia), pero la gravedad no cede, por lo que la gravedad gana hasta que restablecemos un equilibrio entre la gravedad y la sustentación, normalmente elevando un poco la nariz.

A lo que esto se reduce es que, en general, las alas crean sustentación en cualquier dirección en la que mire la superficie superior.

En un vuelo normal, la mayor parte de la fuerza que sostiene el avión es la sustentación hacia arriba de las alas. Cuando un avión está nivelado, toda la fuerza de sustentación de las alas se dirige directamente hacia arriba, por lo que el avión puede mantener la altitud. Incluso en un giro peraltado ordinario (no acrobático), la parte superior de las alas todavía está orientada principalmente hacia arriba, por lo que el piloto puede mantener la altitud simplemente aumentando un poco el ángulo de ataque.

En este video, el giro que hizo el piloto no fue un giro peraltado ordinario. Parece que inclinó el avión unos 90 grados. En un ángulo de alabeo de 90 grados, toda la sustentación de las alas apunta hacia los lados (hacia el giro) y nada de eso sostiene el avión. Entonces, a menos que haya algo más que sostenga el avión, ese avión comenzará a caer.

Hay dos formas de evitar caer en un giro peraltado extremo. Una es mantener el giro breve, para que no te caigas mucho . La otra es mantenerse arriba usando empuje y sustentación del fuselaje, como se detalla en las respuestas a esta pregunta: ¿Se puede volar un avión con un ángulo de alabeo de 90° sin perder altitud?

Lo que hace se llama "puesto G". Básicamente, empujó el avión en un giro más difícil (que es lo que describe alrededor de 0:57 en el video). Lo que hizo fue aumentar la fuerza centrípeta en el avión (medidas en términos de la gravedad de la Tierra, o "Gs"). Este piloto acrobático describe el efecto

La velocidad de pérdida de un avión aumenta a medida que aumenta la carga alar. Para ser precisos, la velocidad de pérdida aumenta con la raíz cuadrada de la carga, por lo que si un avión se detiene a, digamos, 60 mph en un vuelo de nivel 1G en una configuración particular, se detendrá a 120 mph a 4G, 180 mph a 9G, etc. (Esta es una razón por qué "velocidad de pérdida" puede ser un término engañoso: un ala se detiene en un ángulo de ataque dado).

Esto también se denomina a veces pérdida acelerada , que puede ser bastante común en este tipo de eventos, debido a las entradas rápidas y el estrés que los pilotos ejercen sobre la aeronave.

Las paradas aceleradas a menudo son causadas por entradas de control abruptas o excesivas realizadas durante giros pronunciados o pull-ups. Si está en una picada y retrocede con suficiente rapidez y fuerza para cargar el avión con un factor de carga de diseño típico de 3,8 G, entrará en pérdida acelerada si la velocidad aerodinámica cae por debajo de 1,95 veces la velocidad de pérdida con una carga de 1 G. (la raíz cuadrada de 3,8 es aproximadamente 1,95).

Luego describe el accidente del vuelo 105 de Midwest Express Airlines , que ofrece la siguiente ilustración ( fuente )

Lo que sucedió fue un "snap roll" de pérdida acelerada, que Matt Hall explica a los 50 segundos del video, "detuvo" el avión "lo que me hizo rodar un poco más allá del filo de la navaja", por lo que el avión estaba literalmente ligeramente boca abajo girando hacia abajo. hacia el agua, en lugar de caer.

Un giro acelerado en pérdida ocurre en giros de alta g cuando un ala experimenta una pérdida de alta velocidad antes o más que la otra. El avión rueda hacia el ala bloqueada aumentando aún más su ángulo de ataque, mientras reduce el ángulo de ataque en el otro ala, empeorando la situación. Tenga en cuenta que un giro rápido de pérdida acelerada solo requiere elevación excesiva a alta velocidad, no se requieren entradas de alerones o timón.

En este caso, el piloto alivió rápidamente la entrada del elevador, lo que detuvo la pérdida y permitió que los alerones funcionaran para recuperarse del giro brusco.

Esto fue un poco desafortunado, ya que el giro rápido podría haber girado hacia el otro lado, por lo que el avión habría estado girando hacia arriba alejándose del agua en lugar de hacia abajo en el agua. Es más o menos un 50% - 50% de probabilidad en qué dirección rodará un avión en un giro instantáneo, a menos que se usen alerones para iniciar el giro antes de aplicar una elevación excesiva.

Los verdaderos giros rápidos de ascensor solo se realizan en modelos de aviones acrobáticos, ya sea a propósito como una maniobra acrobática, o no intencionadamente en el caso de las carreras de modelos de pilones, que es la misma circunstancia que el incidente de Matt (sin riesgo para la vida de los pilotos del modelo). Incluso he hecho esto en un pequeño planeador de control de radio en una inmersión vertical (requerido para mantener la velocidad ya que la resistencia es alta en un giro rápido). Tire demasiado hacia atrás del control de profundidad de los transmisores y el planeador simplemente rodó, sin una pizca de cabeceo hacia arriba. Salió del elevador y el modelo se recuperó del giro rápido y respondió a las entradas del elevador no excesivas de manera normal.