¿Qué clases de aeronaves requieren controles de vuelo hidráulicos?

Los controles de vuelo hidráulicos no son obligatorios para una clase específica, pero por encima de cierto tamaño y velocidad, será difícil cumplir con todos los requisitos de certificación sin, al menos, agregar un impulso hidráulico.

Históricamente, los aviones usaban controles manuales. Con el aumento del tamaño y la velocidad, las fuerzas aumentaron y se inventaron sistemas de reducción de fuerza cada vez más inteligentes para mantener las fuerzas de la palanca dentro de los límites .

• En el primer vuelo del planeador Messerschmitt Me-321 se descubrió que las fuerzas de control, especialmente en el balanceo, eran demasiado altas, por lo que se instaló un segundo piloto con una segunda palanca.
• El Dornier Do-335 o el Republic P-47 usaban una palanca telescópica: a baja velocidad, la palanca era corta y podía moverse a través de la gama completa de desviaciones de los alerones, mientras que a alta velocidad podía extenderse telescópicamente. Esto limitó el rango de movimiento pero mejoró el apalancamiento del piloto.
• El English Electric Canberra usó balances internos para los alerones y un resorte en los controles de los alerones para limitar las fuerzas de la palanca. A la velocidad máxima, la bocina de control aún podía moverse en todo su rango, pero las desviaciones de los alerones alcanzables eran solo unos pocos grados, sin embargo, aún eran suficientes para una agilidad de balanceo suficiente.

Los alerones tienen masa. Hay un resorte. Algo que se mueve. Todo ingeniero debería pensar a continuación: ¿Qué pasa con el aleteo? Con reducciones de fuerza más complejas, aumentó la probabilidad de que sucediera algo inesperado y se multiplicaron los modos de falla. Al final, la introducción de la hidráulica resolvió tantos problemas que, de hecho, por encima de una cierta combinación de velocidad y tamaño, ninguna otra opción tiene sentido.

He trabajado junto con Rockwell (anteriormente norteamericano) en un avión de entrenamiento de dos asientos; una combinación de tamaño y velocidad que habría tenido controles manuales hace 60 años. Propuse usar los mismos mecanismos de reducción de fuerza que se usaron en el F-86, pero al final se seleccionó un impulso hidráulico. ¿Por qué?

• Ya nadie tenía experiencia con los controles manuales. Después de tantos años, todos los ingenieros de la era F-86 se jubilaron hace mucho tiempo o fallecieron.
• Los archivos norteamericanos se habían desechado años antes, por lo que no quedó documentación sobre cómo diseñar correctamente un sistema de control manual para ese rango de velocidad.
• El sistema de refuerzo hidráulico era fácil de instalar, usaba componentes estándar y era más económico de diseñar porque todos estaban familiarizados con la tecnología.

Como dije antes : no me hagas empezar con la forma exacta en que puedes adaptar las fuerzas de la barra de balanceo: esta será una publicación que será mucho más larga que cualquier cosa que haya escrito aquí antes.

Hasta donde yo sé, no existe una regulación estricta que requiera hidráulica en un punto determinado. Por un lado, la aeronave debe ser realmente controlable, por lo que si eso fuera inalcanzable a velocidades operativas, entonces se necesitaría un sistema hidráulico.

En el Informe de la FAA sobre controles de vuelo

A medida que la aviación maduró y los diseñadores de aeronaves aprendieron más sobre aerodinámica, la industria produjo aeronaves más grandes y rápidas. Por lo tanto, las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre las superficies de control aumentaron exponencialmente. Para que la fuerza de control requerida por los pilotos sea manejable, los ingenieros aeronáuticos diseñaron sistemas más complejos. Al principio, los diseños hidromecánicos, que consistían en un circuito mecánico y un circuito hidráulico, se utilizaron para reducir la complejidad, el peso y las limitaciones de los sistemas de controles de vuelo mecánicos.

Las FAR enumeran los límites de fuerza en una entrada de control en FAA FAR 23.397

(a) En la condición de carga de vuelo en la superficie de control, las cargas de aire sobre las superficies móviles y las deflexiones correspondientes no necesitan exceder las que resultarían en vuelo por la aplicación de cualquier fuerza del piloto dentro de los rangos especificados en el párrafo (b) de esta sección. Al aplicar este criterio, se deben considerar los efectos del impulso del sistema de control y los servomecanismos, y los efectos de las lengüetas. El esfuerzo del piloto automático debe usarse para el diseño si solo puede producir cargas de superficie de control más altas que el piloto humano.

Tenga en cuenta que esto no requiere un sistema hidráulico absoluto, pero si no puede construir un sistema de cable/lengüeta de compensación que se encuentre dentro de estos límites de fuerza, deberá agregar algún tipo de asistencia.

No hay una clase de peso o tamaño particular para requerir controles de vuelo hidráulicos. Los requisitos son que las fuerzas de control se mantengan dentro de ciertos límites y, en general, esto se vuelve más difícil a medida que aumenta el tamaño y la velocidad de la aeronave.

Mantener el sistema de control manual tiene la ventaja de que las fuerzas aerodinámicas se retroalimentan al piloto y que, al aumentar la velocidad aerodinámica, los controles se endurecen, lo que dificulta la realización de grandes desviaciones que impondrían altas aceleraciones en la estructura del avión. Pero los aviones más grandes/más rápidos requieren superficies de control más grandes, con las fuerzas de control asociadas más grandes. Sin embargo, las fuerzas de control deben permanecer dentro de los límites de la capacidad de la fuerza humana.

Muchas de las aeronaves accionadas hidráulicamente más antiguas tienen algún tipo de retroalimentación de la velocidad de la aeronave. El 737 tiene q-feel en el canal de cabeceo: un sistema de sensación artificial endurece el control de vuelo en función de la presión dinámica detectada por el tubo de Pitot. El DC-10 y el L-1011 también tienen esto.

En una vida anterior, solía contratar el modelado de simuladores de sistemas de control de vuelo de controles de vuelo de helicópteros y de ala fija, y el Beech 1900 es uno de los tipos en los que trabajé. Tiene un sistema de control completamente manual, todas las fuerzas aerodinámicas se retroalimentan al piloto. El canal de cabeceo tiene un resorte hacia abajo de aproximadamente 40 lbf, lo cual es evidente a partir de las mediciones del suelo. He escuchado comentarios acerca de que las fuerzas de cabeceo son altas durante el aterrizaje y que, en particular, las mujeres piloto pueden tener problemas para ejercer estas fuerzas durante los aterrizajes. El accionamiento hidráulico puede facilitar el vuelo de la aeronave y adaptar las fuerzas requeridas. Hay aviones más grandes y rápidos certificados para control manual, el F100 es uno: el paso tiene respaldo manual.