¿Por qué los controles de los aviones de categoría transporte son mucho más pesados ​​que los de los aviones ligeros?

Cualquiera que haya hecho la transición de un avión GA ligero a un avión grande con turboventilador notará la diferencia: la columna de control en un avión grande es mucho más pesada. Si bien todavía está dentro de los límites de un adulto saludable, se necesita una fuerza considerablemente mayor para mover los controles.

¿Por qué es esto? ¿Es esto intencional o simplemente un subproducto de los vínculos mecánicos de los primeros días? Airbus ha demostrado que incluso en aviones comerciales, los controles pueden ser tan ligeros como un simple joystick. Entonces, ¿por qué los controles de un Boeing 747 no se sienten igual que los de un Cessna 172?

Respuestas (2)

Las fuerzas de control están ahí por diseño. Todos los aviones de pasajeros tienen una sensación de fuerza artificial de resortes, amortiguadores, etc. Un B747 vuela por los cielos mucho más rápido que un Cessna 172 y podrían pasar cosas malas si fuera fácil desviar los controles de vuelo en M 0.85.

El ascensor B737 es un buen ejemplo. Tiene q-feel (sensación artificial) proporcionada por un dispositivo de resorte, y los gradientes del resorte se endurecen en función de la velocidad del aire. A velocidades más altas, es bastante difícil desviar la columna empujando/tirando y mucho más fácil de usar el botón de ajuste para controlar el paso. Para las fuerzas de control del simulador de nivel D, medimos las fuerzas necesarias para desviar la columna por completo cuando se ajusta en la posición media, lo que resultó ser un ejercicio serio de musculación:

  • Aproximadamente 200 N a velocidad aerodinámica cero
  • Unos 500 N a 400 nudos 20.000 ft. (Medida tomada en tierra con manguera de presión unida al tubo pitot, y aeronave sobre gatos con el tren de aterrizaje retraído).

Por el contrario, los controles de vuelo de los helicópteros son livianos porque los helicópteros son intrínsecamente inestables y se necesita mucha acción de palanca, particularmente en el vuelo estacionario. En la mayoría de los helicópteros, las fuerzas de sensación se pueden desactivar por completo con el botón de compensación, lo que da como resultado una palanca muy ligera, perfectamente compatible con la respuesta relativamente dócil del helicóptero.

Pero un 747 es un fuselaje estable. Un avión rápido con grandes desviaciones de control da como resultado altas aceleraciones, lo que puede provocar oscilaciones inducidas por el piloto o daños estructurales en la estructura del avión.

Las dos medidas de la columna de control B737, digitalizadas a partir de los gráficos originales y en la misma escala: posición de la columna en el eje x, fuerza en el eje y. Por diseño, la fuerza requerida para desviar completamente la columna desde la posición media es de aproximadamente 40 lbf a cero nudos, 100 lbf a 400 nudos. Esto es de un sistema q-feel artificial y la sensación se implementa por diseño. La distancia vertical entre los lados de la curva es causada por la fricción.

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A 0 nudos:

  • Tenga en cuenta que alrededor de la mitad del gradiente de primavera es muy pronunciado: la ruptura, para indicar una posición neutral.
  • Luego, entre 0 y 5 pulgadas, un gradiente de resorte de 4 lbf/pulgada.
  • Más allá de 5 pulgadas, un gradiente relativamente plano, para que no sea demasiado difícil desviar la columna por completo.

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A 400 nudos: se hace difícil desviar completamente la columna. Un tirón de 100 lbf desde una posición sentada no es nada despreciable.

Conversiones de unidades: 200 N son aproximadamente 45 libras, 500 N son aproximadamente 110 libras.
Tengo curiosidad: ¿400 nudos indicados o velocidad real? A 400 KIAS un B737 se habría desintegrado...
@kevin Las medidas se tomaron en tierra, con un equipo de medición con un transductor de posición y fuerza conectado a la columna. Se adjuntó una manguera de presión al tubo de Pitot: 400 KIAS. Y luego un barrido lento, continuo e ininterrumpido del control, comenzando desde neutral, empujando lentamente hasta el tope de avance, suelte lentamente, luego tire hasta el tope de popa, luego suelte lentamente de nuevo. El gráfico es de fuerza de control frente a posición y muestra los gradientes de resorte, la fricción, los límites de recorrido y la rigidez del cable.
Agregando a lo que @TannerSwett escribió anteriormente, para aquellos de nosotros más acostumbrados a las unidades SI pero que no necesariamente tienen una comprensión intuitiva de los newtons, a menudo es lo suficientemente cerca como para decir que 10 N = 1 kgf, así que divida las fuerzas en newtons por 10 y obtienes la fuerza equivalente en kgf. Seré el primero en admitir que esta no es una equivalencia perfecta, pero a menos que esté escribiendo un artículo científico o de ingeniería detallada, es lo suficientemente bueno para la mayoría de los propósitos. El valor exacto es 9,80665 newton por kgf.
Corrección de @TannerSwett: libras de fuerza (lbf), no libras (lb). La primera es fuerza, la segunda es masa.
La mayoría de la gente no se da cuenta de que la mayoría de los aviones vuelan muy cerca pero sin exceder Mach 1
@slebetman: La mayoría de las personas en Aviation.SE lo hacen.
¿La sensación artificial del 737 sigue activa en el vuelo de reversión manual (donde las cargas aerodinámicas impuestas por el flujo de aire sobre las superficies de control en el alerón desviado y las lengüetas del servo de profundidad hacen que los controles se endurezcan por sí solos con el aumento de la velocidad del aire), donde el la sensación artificial sería (en el mejor de los casos) redundante y (en el peor de los casos) perjudicaría la capacidad de control de la aeronave al limitar excesivamente la desviación del control de vuelo?
@Sean con toda la energía hidráulica apagada, las fuerzas artificiales de sensación q son cero. Hay una mayor fricción y retroalimentación directa de las fuerzas aerodinámicas sobre las superficies de control.
Más allá de 5 pulgadas a 0 kt, una pendiente más plana provocaría un movimiento más fácil en lugar de un movimiento más duro según el gráfico. Obtiene más desviación con la misma cantidad de fuerza en aumento. Sin embargo, estos gráficos son un poco extraños. Normalmente, el gradiente de fuerza debe aumentar cerca de la deflexión total (gradiente más pronunciado) para evitar el sobreesfuerzo de la aeronave causado por fuerzas más ligeras en la columna de control.

Agregando a la respuesta de Koyovis. En un Airbus, el movimiento de la palanca no corresponde a la desviación de la superficie de control.

La palanca controla un factor de carga/tasa de balanceo para el cabeceo/balanceo. Entonces, cuanto más rápido sea el avión, menores serán las desviaciones para el mismo movimiento de la palanca.

Los límites superiores de la parada de la palanca del Airbus A320 son +2,5/-1 g (cabeceo) y 15°/s (balanceo) cuando está en configuración limpia.

Suponiendo que esté hablando de un A320 o posterior, por supuesto, el A300/310 utiliza un yugo de control convencional que controla la desviación de la superficie de la misma manera que un avión normal. Y también suponiendo que está hablando de la ley normal: a medida que los controles de vuelo se degradan de la ley normal, a través de la ley alternativa 1, -2A y -2B, a la ley directa, el joystick cambia progresivamente de controlar las velocidades de cabeceo/alabeo a controlar el elevador. /desviaciones de alerones. (En la ley mecánica , el joystick está inerte y la aeronave se controla con el timón y el estabilizador horizontal).
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