¿Un vuelo trimado no es siempre un sistema inestable?

Pero supongamos que llega una ráfaga de viento y el ángulo de ataque aumentará. Esto hace que el centro de presión avance frente a mi ubicación de gravedad. Por lo tanto, la aeronave se volverá inestable porque el ángulo de ataque aumentará aún más (morro hacia arriba). Lo único que puede hacer el piloto es usar el elevador para ajustar el cabeceo.

Esto no es exacto. ¿Está familiarizado con los modelos de aviones de "vuelo libre"? Algunos de ellos son lo suficientemente estables como para volar a media tarde cuando la atmósfera está llena de corrientes térmicas ascendentes y descendentes, sin ningún tipo de intervención del piloto y sin sistema de control automático (piloto automático, etc.).

Tiene razón en que si alguna perturbación aumenta el ángulo de ataque del ala, con un perfil aerodinámico convencional sin "reflejo", el centro de sustentación y el centro de presión del ala se moverán hacia adelante, lo cual es desestabilizador .

Pero la cola también está viendo un aumento en el ángulo de ataque, o si la cola está configurada para volar en un ángulo de ataque negativo en vuelo normal, entonces el ángulo de ataque de la cola se vuelve menos negativo o algo positivo debido a la perturbación. Independientemente de cuál de estos sea el caso en un caso dado, el cambio en el ángulo de ataque de la cola, que está lejos del CG y, por lo tanto, ejerce mucha influencia, hace que el centro de sustentación y el centro de presión de todo el aeronave para moverse a popa del CG. Entonces, la aeronave desciende a un ángulo de ataque más bajo, donde el centro de sustentación y el centro de presión se ubican nuevamente junto con el CG. Así es como funciona la estabilidad de tono.

Para obtener más información, consulte esta sección del sitio web "See How It Flies" de John Denker .

Nota: para simplificar, asumo que las únicas fuerzas que debemos considerar son las "hacia arriba" o "hacia abajo". Es decir, que el "centro de sustentación" y el "centro de presión" son uno y el mismo. Esto no es exactamente cierto. Por ejemplo, si la línea de empuje estuviera muy por encima del centro de gravedad, entonces aún sería cierto que el centro de presión (incluido el efecto del vector de empuje) estaba ubicado junto al centro de gravedad cuando la aeronave estaba en equilibrio, pero el centro de elevación tendría que estar un poco por delante del CG. Si encuentra que esta simplificación es objetable, simplemente (mentalmente) elimine el "centro de elevación" de mi respuesta y simplemente deje el "centro de presión".

En mi respuesta aquí, asumo que algún tipo de perturbación, como una corriente ascendente repentina, ha aumentado el ángulo de ataque de la aeronave. Sin embargo, en realidad hay una pregunta adicional incrustada en su pregunta, que es "¿una ráfaga de viento puramente horizontal causará un cambio en el ángulo de ataque de un avión que vuela horizontalmente?" Esa es otra "lata de gusanos" en la que es posible que no necesitemos entrar en este momento, pero al menos "levantemos la tapa" y echemos un vistazo. La respuesta a eso parece ser que la secuencia de eventos es la siguiente: ráfaga de viento desde el frente -> mayor sustentación -> curvatura hacia arriba de la trayectoria de vuelo (que puede disminuir temporalmenteligeramente el ángulo de ataque) -> cambio con el morro hacia arriba en la actitud de cabeceo para ajustarse a la nueva dirección de la trayectoria de vuelo -> curvatura ascendente continua de la trayectoria de vuelo y rotación continua del cabeceo con el morro hacia arriba. Todo suponiendo que la aeronave aún no ha llegado al equilibrio con la nueva velocidad de la masa de aire circundante en ningún punto dado de la cadena de eventos. No es obvio que el ángulo de ataque se incremente alguna vez por encima del ángulo de ataque original.

Creo que no entiendes cómo funciona y cómo responderías a los cambios en el viento. Los aumentos en la velocidad aerodinámica impactan en todas las superficies de vuelo, incluido el elevador, por lo que un cambio en la velocidad aerodinámica debido a una ráfaga no generará grandes cambios en el tono. Habrá algún cambio, sin embargo, normalmente los cambios en el tono se equilibrarán con las fluctuaciones. Es raro obtener cambios significativos realmente repentinos en la velocidad del aire.

Tal vez se esté preguntando por qué vale la pena recortar un avión si aún tendrá que hacer entradas de control. El trimado reduce la carga de trabajo del piloto y la fuerza necesaria para las entradas de control. Si no recorta, siempre estará luchando contra una tendencia de cabeceo hacia arriba o hacia abajo, lo que requiere energía y concentración. Sus prioridades son volar, navegar y comunicarse, recortar reduce la cantidad de esfuerzo que pone en volar el avión para que pueda concentrarse en los otros dos. Durante un vuelo largo, o un vuelo más corto en condiciones difíciles, es importante conservar su propia energía, por lo que vale la pena adquirir el hábito de recortar.

En condiciones de calma, un avión trimado puede volar con muy poca información del piloto, por lo que puede mirar cartas o placas, tomar una copa o simplemente relajarse mientras mantiene una buena vigilancia visual.

Las condiciones de viento o turbulencia son más exigentes, y no se puede volar con tanta frecuencia, el trimado sigue siendo importante porque hace que la aeronave sea más fácil y menos laboriosa de controlar.

No lo pienses demasiado. Simplifique en su mente. Trim se utiliza para preestablecer el ángulo de ataque sin intervención. Las fuerzas de estabilidad estática se centrarán en recuperar el ángulo de ataque ajustado si el avión se desplaza de su estado de ajuste.

Dado que los pilotos utilizan la velocidad aerodinámica como indicador del ángulo de ataque, el ajuste establece la velocidad aerodinámica sin intervención, en lo que respecta al piloto. La mejor manera de conceptualizar el ajuste en vuelo es pensar en él como un dial de configuración de velocidad de manos libres.

Si un avión se ve afectado por el ajuste, se verá afectado por el AOA ajustado y, en última instancia, por la velocidad, y su estabilidad estática crea momentos de restauración que inclinan el avión en busca del estado de ajuste original. Entonces, si está por debajo de la velocidad de compensación/por encima del AOA de compensación, el avión cabecea hacia abajo, y si está por encima de la velocidad de compensación/por debajo del AOA de compensación, cabecea hacia arriba.

Entonces, lo que debe tener en cuenta es que, si el avión es perturbado por una ráfaga y no realiza cambios en la potencia o la configuración, naturalmente buscará recuperar el AOA/Velocidad que tenía antes de ser perturbado. Puede dejarlo ir y manos libres, buscará ese estado de compensación por sí solo, pero se tomará su tiempo y oscilará sobre el AOA de compensación en excursiones cada vez más pequeñas hasta volver a la velocidad/AOA de compensación.

Por lo general, no desea esperar tanto tiempo, por lo que es más eficiente ayudar a las fuerzas naturales de estabilidad, con entradas del elevador, a cortocircuitar las oscilaciones. Para hacer esto de manera efectiva, necesita un proxy útil para AOA que pueda usarse, en el momento, como un objetivo al que apuntar con las entradas de su elevador. Para ello utilizamos la actitud de cabeceo con respecto al horizonte.

Así que usted está volando muy bien ajustado, el avión está volando con las manos libres ocupándose de sus propios asuntos, la actitud de cabeceo establecida y algo cambia el AOA y la velocidad. La actitud de lanzamiento también habrá cambiado. Su objetivo es hacer que el avión vuelva a su AOA/velocidad recortada. En lugar de dejar que suba y baje y, finalmente , vuelva a su estado de recorte, realiza sutiles entradas de elevador para recuperar la actitud de tono original, y así volver a recortar AOA lo antes posible. Una vez que haya recuperado la velocidad aerodinámica original, el avión debería volver y mantener la actitud de cabeceo original, y usted volverá al punto de partida.

Debes tener el hábito de usar trim para establecer una velocidad de manos libres para que el avión vuele a cualquier velocidad estabilizada a la que quieras volar (durante más de, digamos, 30 segundos). Si desea volar a 70 nudos en la aproximación, no lo deje compensado a 90 nudos y mantenga la presión del elevador; Recorta la presión hasta que vuele a 70 nudos con las manos libres. Lo mismo para cualquier otra condición de velocidad que sea más que una condición transitoria a corto plazo; dispare a la velocidad objetivo lanzando a una actitud de cabeceo objetivo, y cuando esté en la velocidad, recorte las fuerzas de la palanca para que la velocidad se mantenga con las manos libres. Esta es la forma de volar con una carga de trabajo mínima, dejando que la estabilidad inherente del avión haga la mayor parte del trabajo.

El objetivo principal de la superficie de cola es evitar que la inestabilidad de cabeceo del ala afecte a todo el avión. Es por eso que a menudo se le llama estabilizador horizontal.

En el caso más simple, el estabilizador no ejerce fuerza de sustentación cuando el avión está en equilibrio. Si el morro se levanta, el AoA de la cola aumenta y comienza a generar sustentación. El diseño está dispuesto de modo que el momento de cabeceo de esta sustentación sea mayor que el momento de cabeceo causado por el cambio de CP del ala. La cola se eleva y devuelve el avión a la actitud de ajuste.

Hay muchas complicaciones que se pueden introducir, pero esa es la física básica de cómo funciona la estabilidad.

Creo que la mayoría de las respuestas han pasado por alto la oscilación fugoide, que es una palabra clave aquí.

La mayoría de los aviones de aviación general están diseñados para ser más o menos estables en vuelo una vez ajustados para la situación real. Esto significa que si el vuelo se ve perturbado de alguna manera, el avión suele volver a una nueva situación estable. Esto se aplica a las tres entradas: balanceo, guiñada y cabeceo. En el avión, puede probar esto dando una entrada breve y medida en los controles, soltándolo y esperando la respuesta.

Esta estabilidad generalmente tiene el costo de un menor rendimiento. Entonces, en los aviones de alto rendimiento, la estabilidad "natural" podría ser intencionalmente más baja: observe como ejemplo el caso extremo de los aviones de combate donde los modernos a menudo no pueden volar sin que la computadora contrarreste continuamente la inestabilidad.

Pero volvamos a los planos "naturalmente" estables que, con mayor frecuencia, muestran un patrón específico llamado "oscilación fugoide" en la dirección longitudinal o de cabeceo. Este es uno de varios modos de oscilación que puede tener un avión, pero uno de los más fáciles de observar en un avión GA. Si el avión sufre una perturbación en la velocidad o el cabeceo, sucede lo siguiente (supongo que se trata de un diseño de cola tradicional + cabeceo inicial hacia abajo):

1. El avión cae por debajo de la "horizontal constante".

• la velocidad ahora aumentará
• a medida que aumenta la velocidad, la fuerza hacia abajo de la cola aumentará y comenzará a lanzar el avión hacia arriba (la cola es un ala que empuja hacia abajo en un vuelo constante, a medida que el avión se inclina hacia abajo, el ángulo de ataque del viento cambiará y la velocidad de el aire sobre él aumentará, dando más "elevación hacia abajo").

2. El avión ahora se inclinará hacia arriba, a menudo un poco por encima de la "horizontal".

• la velocidad ahora disminuirá
• a medida que la velocidad disminuye, la fuerza descendente de la cola disminuirá y comenzará a lanzar el avión hacia abajo

3. Empezar desde 1. de nuevo.

Esto conducirá a una oscilación. En aviones GA, un período típico puede ser de alrededor de 30 segundos. (En realidad, puede haber varios períodos al mismo tiempo). Y esto ahora continúa con tres posibles resultados:

1. La oscilación fugoide disminuirá y se detendrá gradualmente.
2. La oscilación puede disminuir y continuar a una amplitud constante. A menudo, este es el estado deseado cuando se diseñan aviones, ya que la estabilidad total puede costar mucho rendimiento.
3. La oscilación es demasiado extrema para sentirse cómodo o aumenta con el tiempo y conduce a cambios extremos de cabeceo y usted, como piloto, debe tomar medidas.

Con el tiempo, la compensación debe cambiarse a medida que se consume combustible y cambia el equilibrio o el motor cambia la salida debido a la temperatura del aire, etc. Pero durante un intervalo, a veces 30 minutos en mi experiencia, el avión simplemente vuela solo.

Creo que tienes un concepto erróneo importante sobre la estabilidad. El ajuste y la estabilidad están relacionados, pero no son lo mismo. Una aeronave estable siempre buscará su equilibrio o estado trimado si es perturbada. En un avión bien diseñado, el avión alcanza el equilibrio automáticamente sin intervención del piloto. Esa es la pulcritud de esto.

En tu pregunta no has considerado de dónde viene la estabilidad. Es importante tener en cuenta que en la mayoría de los aviones, el Centro de presión (CP) nunca debe ir por delante de su Centro de gravedad (CG). Esto se debe a que la mayoría de los aviones tienen un estabilizador horizontal que genera una fuerza hacia abajo. Si el CP se adelantara al CG y con una cola que produjera una fuerza aerodinámica neta, la aeronave permanecería inestable. Sin embargo, una aeronave de este tipo puede estabilizarse teniendo un estabilizador que produzca un momento neto de cabeceo hacia arriba. Con un sistema de este tipo, el brazo de momento más grande del estabilizador puede generar una fuerza ascendente lo suficientemente fuerte como para estabilizar la aeronave.

Entonces, ¿cómo se estabiliza una aeronave con un CP detrás del CG después de una perturbación de cabeceo? Es realmente simple. El CP, como ha dicho, avanzará (pero no por delante del CG). Como el estabilizador horizontal está diseñado para sustentación negativa, este aumento del ángulo de ataque del ala reducirá el ángulo de ataque negativo en el estabilizador. Por lo tanto, la fuerza descendente sobre el estabilizador se reducirá y tendrá en cuenta que el CP está detrás del CG. Esto reducirá los momentos ascendentes y la aeronave intentará volver a su estado compensado.

Me gustaría que lo probaras la próxima vez que tomes un vuelo. Para este ejercicio simple, ajuste el avión a una velocidad y ángulo de ataque particulares. Luego levantas el morro y dejas los controles y ves cómo se comporta el avión. Un avión estable empujará inmediatamente el morro hacia abajo para alcanzar su estado trimado. La cantidad de tiempo que lleva volver al estado recortado puede variar, por supuesto. Esto mostrará cuán dinámicamente estable es la aeronave. Se ve muy afectado por la cantidad de amortiguamiento en el sistema. Por ejemplo, a mayores altitudes, la aeronave tendrá una menor estabilidad dinámica debido a la reducción de la amortiguación aerodinámica. Por lo tanto, tomará más tiempo u oscilaciones para que la aeronave alcance el equilibrio. En un avión estable, las oscilaciones deberían desaparecer con el tiempo en lo que llamamos hundimiento.

El siguiente video demuestra la estabilidad longitudinal.