¿Por qué un avión inclinado crea deslizamiento lateral?

El deslizamiento lateral ocurre porque el vector de sustentación está inclinado. Piense en la inclinación del rotor de un helicóptero flotante; la máquina se desplaza hacia el lado inferior del disco del rotor porque el vector de empuje del rotor está inclinado. Las alas del avión solo están empujando, pero avanzando al mismo tiempo. Incline la línea de empuje ladeándose, y emerge un componente de empuje lateral y el cuerpo se mueve lateralmente en respuesta (el helicóptero en vuelo hacia adelante está haciendo lo mismo: mueve el cíclico para inclinar el rotor y la máquina se mueve lateralmente mientras avanza porque la línea de empuje del rotor estaba inclinada).

La introducción del componente de empuje lateral significa una reducción del componente de empuje vertical y, a menos que se aumente la sustentación total, el cuerpo desciende a medida que se mueve hacia los lados, por lo que debe levantar el morro en el giro (o tirar de más paso colectivo o inclinar). el rotor ligeramente hacia atrás, en el helicóptero). Y dado que el movimiento lateral creado por la inclinación del vector de sustentación ocurre al mismo tiempo que el cuerpo se mueve hacia adelante, el movimiento describe un arco. Un turno.

El morro sigue el giro porque la gran veleta en la parte posterior, la aleta vertical, ve un ángulo de ataque lateral resultante del deslizamiento lateral inducido por la inclinación del vector de sustentación, y busca mantener el AOA lateral de la aleta cerca de cero y así la cola sigue más o menos en línea con la trayectoria arqueada del giro. Y aquí es donde llegamos al efecto diedro y al deslizamiento lateral.

No querrás que la aleta haga esto sin un poco de retraso. Este es el problema; para que funcione el efecto diedro, debe haber algún deslizamiento lateral para crear la sustentación diferencial que crea la fuerza de restauración o adrizamiento. Por lo tanto, la aleta debe dimensionarse para que sea eficaz en mantener pasivamente la cola alineada en el flujo de aire mientras el avión se mueve lateralmente como resultado de estar inclinado, pero no tan grande como para hacerlo instantáneamente; necesita tolerar un poco de deslizamiento lateral antes de que comience a funcionar, para que el efecto diedro pueda hacer su trabajo cuando ocurren pequeñas perturbaciones.

Si hace que la aleta vertical sea demasiado grande, un ladeo inducido por una perturbación es seguido instantáneamente por una guiñada creada por el deslizamiento lateral incipiente, para mantener la cola alineada en la corriente de aire, y casi no se produce deslizamiento lateral. Además, el movimiento de guiñada significa que el ala exterior se mueve más rápido, lo que tiende a aumentar más el alabeo. Este avión tenderá a permanecer en su ángulo de alabeo, o aumentará su ángulo de alabeo y querrá girar en espiral.

El tamaño de las aletas tiene que encontrar un punto óptimo en el que se tolere suficiente deslizamiento lateral para que el efecto diedro funcione, pero no demasiado. Demasiado grande, y el avión se desvía en un giro con la más mínima perturbación porque cualquier cantidad de inclinación lateral inducida por un bache es seguida por una veleta inmediata hacia el ala baja. Demasiado pequeño, y la estabilidad lateral es buena, pero la nariz caza y vaga en baches.

Mi propio avión es un Pazmany PL-2 construido en casa, y tiene las aletas un poco bajas, lo que combinado con la masa inercial de combustible en las puntas de las alas, hace que la nariz se desplace más en los baches que muchos aviones. Sin embargo, tiene muy poca tendencia a la espiral y puedes inclinarla 15 grados en aire tranquilo y dejarla (demasiada inclinación para que funcione el efecto diedro), y permanecerá así, y una inmersión en espiral lleva mucho tiempo para desarrollarse.

Abundan las explicaciones incorrectas de por qué un avión tiende a deslizarse lateralmente cuando se inclina, en ausencia de cualquier entrada de timón "coordinadora". A menudo se invoca el hecho de que el vector de peso o gravedad tiene un componente que apunta hacia la punta de un ala. Véase, por ejemplo, el diagrama en "Model Airplane Design" de Martin Simons.

Lo cierto es que esta situación existe tanto en un giro coordinado como en un deslizamiento lateral, por lo que no puede ser esa la razón del deslizamiento lateral. De acuerdo con los principios de Newton, una fuerza lateral constante tiende a generar una curvatura en una trayectoria, no un movimiento lateral lineal. No es correcto decir que el vector de peso o gravedad tiende a hacer que la aeronave se deslice hacia la punta del ala baja cuando la aeronave está inclinada, solo porque el vector de peso o gravedad contiene un componente que apunta hacia la punta del ala baja.

Esta es una de las razones por las que un avión tiende a deslizarse lateralmente cuando se ladea: la inclinación tiende a causar un giro (una curvatura en la trayectoria de vuelo), y la curvatura resultante en la trayectoria de vuelo "dobla" el flujo de aire o el viento relativo. En otras palabras, a medida que la aeronave comienza a desviarse en respuesta al cambio de dirección de viaje, diferentes partes de la aeronave se mueven a través de la masa de aire en diferentes direcciones a diferentes velocidades en cualquier momento dado, y así diferentes partes de la aeronave experimentan diferentes velocidades (velocidad y dirección) en el viento relativo local, que puede describirse como una "curva" o "curva" en la dirección del viento relativo. En ausencia de cualquier entrada de timón, la cola vertical experimenta un componente de viento relativo que tiende a oponerse al giro y ralentiza la velocidad de rotación de guiñada.

Si esto no está claro, considere un molinete o un avión en un giro plano. A medida que el cuerpo gira, claramente, diferentes partes del cuerpo se mueven a través de la masa de aire en diferentes direcciones en cualquier instante de tiempo.

Este fenómeno también se puede describir como "amortiguación de guiñada".

Este es también el fenómeno que se describe como el efecto de "deslizamiento de cola larga" en la Sección 8.10 del sitio web "Mira cómo vuela" de John S. Denker .

Si el fuselaje de la aeronave pudiera doblarse como un plátano para ajustarse a la trayectoria curva del giro, entonces cada parte de la aeronave, desde el morro hasta la cola, podría aerodinámicamente a la dirección local del viento relativo curvo, y este fenómeno no ocurriría. .

La inercia rotacional en el eje de guiñada también juega un pequeño papel en la conducción del deslizamiento lateral a medida que aumentan el ángulo de inclinación lateral y la velocidad de giro.

Las explicaciones que intentan dar cuenta de la relación entre el banqueo y el deslizamiento lateral, sin discutir la curvatura en la trayectoria de vuelo que generalmente resulta del banqueo, son invariablemente incorrectas.

El acto de hacer rodar la aeronave crea una guiñada adversa, lo que genera deslizamiento lateral. Este es un efecto transitorio que se explica en esta respuesta .

Sin embargo, en un giro constante y coordinado (centrado en la bola), también habrá deslizamiento lateral. Este es un efecto de estado estacionario. Hay algunos factores que contribuyen:

• Hay un timón de estado estable distinto de cero, que es necesario para poner a cero el momento de amortiguación de guiñada ($C_{n_r}$), momento de amortiguamiento de balanceo de guiñada ($C_{n_p}$) y momento de alerón adverso ($C_{n_{\delta_a}}$). Esta desviación del timón crea una fuerza lateral aerodinámica ($C_{y_{\delta_r}}$).
• La presencia de una velocidad de balanceo y guiñada del cuerpo distinta de cero en estado estacionario induce una fuerza lateral ($C_{y_p}$y$C_{y_r}$).

En un giro centrado en la bola, la suma de la fuerza lateral aerodinámica es cero, lo que exige físicamente un deslizamiento lateral distinto de cero para generar la fuerza lateral aerodinámica necesaria para cancelar.

Juntos:

Esto es con todos los motores en funcionamiento, por lo que no hay asimetría de empuje. Y este deslizamiento lateral de estado estacionario es pequeño para un giro centrado en la bola.