Cualidades de vuelo

Una perspectiva histórica
Conducir un coche o montar en bicicleta son tareas relativamente fáciles porque las leyes físicas que actúan son más familiares para el conductor y, por tanto, puede controlarlos más fácilmente. Por el contrario, para el caso del control de una aeronave esto no es así, las acciones que realiza el piloto tienen consecuencias que no son tan fácilmente predecibles ni intuitivas. El hombre ha evolucionado en un medio terrestre y, por tanto, es más natural y fácil para él controlar vehículos terrestres, que se mueven en un espacio de dos dimensiones. No así en vehículos aéreos que se mueven en un espacio de tres dimensiones, en cuya operación aparecen características de estabilidad y control que no se presentan en los vehículos terrestres.

Por cualidades de vuelo entendemos la estabilidad y las características de control de un avión, lo cual tiene una influencia importante sobre la seguridad del vuelo y la facilidad de control de la aeronave, tanto en maniobras como en vuelo estacionario.

Para arrancar la discusión sobre las cualidades del vuelo, primero se debe entender el concepto de estabilidad. La estabilidad solo puede ser definida con respecto al concepto de equilibrio. Se dice que un cuerpo está en equilibro cuando la suma de todas las fuerzas y momentos que actúan sobre él, es cero. Por ejemplo, en un avión volando de forma estacionaria, el peso es igual a la sustentación, el empuje igual a la resistencia y no existen momentos que puedan hacerlo girar de alguna forma. Ver figura 1.

Figura. 1. Vuelo en equilibrio.

Si en la condición anterior, el avión es perturbado, por ejemplo, por una turbulencia atmosférica que le hace levantar el morro, el avión ya no está en equilibrio. Si las nuevas fuerzas y momentos le hacen alejarse del equilibrio inicial, se dice que el avión es estáticamente inestable. Ver figura 2.

Figura. 2. Avión estáticamente inestable.

Si la tendencia, después de la perturbación, es a mantenerse en la posición perturbada, se dice que es estáticamente neutro. Ver figura 3.

Figura 3. Estabilidad neutra.

Si las fuerzas y momentos engendrados por la perturbación lo hacen volver a su posición de equilibrio, entonces se dice que el avión es estáticamente estable. Si el movimiento oscila alrededor del punto de equilibrio con amplitudes decrecientes, el avión es dinámicamente estable.

Figura 4. Avión dinámica y estáticamente estable.

La aeronave puede permanecer oscilando libremente alrededor del punto de equilibrio, con amplitud constante. En este caso se dice que es dinámicamente neutro. Ver figura 5.

Figura 5. Estabilidad estática; estabilidad dinámica neutra.

En el caso más extremo, las oscilaciones alrededor del punto de equilibrio se incrementan en amplitud con el tiempo. Se dice, entonces, que el avión es dinámicamente inestable. Ver figura 6

Figura 6. Estáticamente estable; dinámicamente inestable.

La estabilidad de los aviones fue estudiada por H.G.Byron en Inglaterra en 1904, muy poco tiempo después del primer vuelo motorizado de los hermanos Wright. Byron mostró que las características de estabilidad deben ser separadas en dos grupos, lateral y longitudinal, cada una con sus correspondientes modos de movimiento.

Estos movimientos pueden ser aperiódicos, lo que significa que el avión se aproxima o se aleja de su posición de equilibrio, u oscilatorios, en los cuales la aeronave oscila alrededor del punto de equilibrio.

En un avión estáticamente estable, los modos longitudinales provocados por una perturbación constan de una oscilación de periodo largo llamada oscilación “fugoide” y una oscilación de periodo corto con periodos de sólo unos segundos. Ver figura 7

Figura 7. Fugoide.

Los modos laterales implican movimientos de guiñada y de alabeo. Los movimientos sobre un eje casi siempre se acoplan con movimientos en el otro eje por lo que se conocen como “modos laterales”. Existen tres:

• Subsidiencia de alabeo. Es un movimiento aperiódico fuertemente amortiguado. En los aviones de ala baja se mejora notablemente con el diedro de las mismas. Ver figura 8
• Barrena. La barrena es inherente. Un avión nivelado, con la columna de mando fija entrará en barrena. La diferencia entre aviones es debida a diferencias de diseño. La entrada en barrena se produce por un incremento aleatorio del alabeo y la velocidad. Sin una intervención rápida del piloto el resultado puede ser fatal. Ver figura 9
• Balanceo del holandés. Es un movimiento oscilatorio combinado de los ejes de alabeo y guiñada. Puede ser descrito como un alabeo y una guiñada a la derecha, seguida de una recuperación del equilibrio. Al sobrepasar éste, se inicia una guiñada y alabeo en el ala izquierda, seguida de una recuperación del equilibrio, que es de nuevo sobrepasado, volviendo a iniciarse el ciclo.

Algunos de los primeros diseñadores de aviones intentaban hacer aeroplanos que fueran dinámicamente estables, sin embargo se encontraron que los requerimientos de estabilidad entraban en conflicto con los necesarios para conseguir unas cualidades de vuelo satisfactorias. Además, no había información que pudiera servir de guía para incorporar aquellas características a los diseños.

Hacia los años 30 del siglo XX, esto llegó a ser un sentimiento generalizado entre los ingenieros, reconociéndose que había un conflicto entre los requerimientos para una estabilidad dinámica y los necesarios para unas buenas cualidades de vuelo, pues un avión estable está continuamente moviéndose alrededor de su punto de equilibrio, como respuesta a las perturbaciones exteriores, lo cual puede ser incómodo y hasta desagradable y peligroso en algunos casos.

Para resolver esta cuestión, Eduard Warner, que había trabajado en la Douglas Aircraft Co. en el diseño del DC-4, fue el primero que escribió un conjunto de requerimientos para conseguir unas cualidades de vuelo satisfactorias. El Dr. Warner, miembro del principal comité de la NACA, exigió que se hiciera un estudio de aviones reales de acuerdo al conjunto de requerimientos que se había sugerido.

Este estudio fue realizado por Hartley A. Soulé. El informe de Soulé (NACA-TR-700, 1940) mostró varias áreas en los que los requerimientos sugeridos necesitaban una revisión y explicitó la necesidad de más investigación en otros tipos de aviones. Como resultado de ello, se comenzó un programa de vuelos por Robert R. Gilruth y Melvin N. Gough.

La técnica utilizada para el estudio de las cualidades de vuelo fue instalar instrumentos para registrar valores relevantes, tales como posiciones y fuerzas, velocidades angulares del avión, aceleraciones lineales, velocidades y altitudes. Después, un programa de vuelos con condiciones específicas fue llevado a cabo por un piloto experimentado. Posteriormente a los vuelos , los datos eran transcritos y se comparaban con la opinión del piloto.

Como consecuencia de estos trabajos se publicó en 1943, el documento NACA-TR-755 “Requirements for satisfactory flying qualities of Airplanes”. En la introducción de este documento se habla de la necesidad de criterios cuantitativos de diseño para las cualidades de un avión que hagan que las características de estabilidad, controlabilidad y manejo (handling) del mismo sean satisfactorias.

Como consecuencia de la entrada de los Estados Unidos en la II Guerra Mundial, un elevado número de aviones militares fue enviado al AMES Laboratory, de la NACA, para realizar evaluaciones de sus cualidades de vuelo, estabilidad y prestaciones. Algunos de ellos fueron modificados sustancialmente y utilizados en extensos programas de investigación.

Los resultados de estas investigaciones proporcionaron una información que fue útil en la elaboración de especificaciones para futuros aviones. Otro resultado importante fue el sistema de estandarización desarrollado por George Cooper para ordenar las cualidades de vuelo de los aviones. Cooper desarrollo este sistema de ordenación durante varios años, como respuesta a la necesidad de cuantificar los juicios de los pilotos respecto al manejo del avión, de forma que pudieran ser utilizados en el proceso de diseño.

Después de varios años de experiencia en su aplicación a vuelos de prueba y experimentos con simulador, fue modificada en colaboración con Robert Harper, del Cornell Aeronautical Laboratory y pasó a conocerse como “Cooper-Harper Handlig Qualities Rating Scale”, en 1969, permaneciendo, a partir de entonces, como el estándar para medir cualidades de vuelo. Ver figura 10.

Modernamente, esta escala, que es unidimensional, ha sido sustituida por un sistema que es multidimensional y al que se conoce como “Crankfield Aircraft Handling Qualities Rating Scale” (CAHQRS). Este sistema ha demostrado una mayor fiabilidad y más capacidad de diagnosis que la escala de Cooper- Harper.

Hoy día, el documento estándar para las cualidades de vuelo es la MIL-STD-1797 “Flying Qualities of Piloted Aircraft” (1990) que derivó de la MIL-F-8785C (1980).

Finalmente, para los aviones actuales, el estudio de las cualidades de divide en tres áreas:

• Cualidades de manejo (Handling qualities), relacionadas con las fuerzas y desplazamientos realizados por el piloto sobre los mandos de vuelo y las respuestas del avión a los mismos y a las perturbaciones atmosféricas. También con la psicología, fisiología y ergonomía del piloto.
• Capacidades de control (Control Capabilities), relacionadas con la capacidad del piloto para cambiar el estado del equilibrio para modificar la trayectoria o aptitud del mismo.
• Cualidades de pilotaje (Riding qualities), relacionadas con las magnitudes y frecuencias de las aceleraciones, lineales y angulares sentidas por el piloto, las condiciones ambientales de la cabina (presión, temperatura y humedad) y la visibilidad, niveles de ruido, diseño del avión y la ergonomía humana.

Bibliografía:
Monographs in Aerospace History, Number 12
SP-300 Flight Research at Ames, 1940 – 1997
Introduction to the aerodynamics of flight, Thodore A. Talay, Langley Research Center.
NACA-TR-755