Cola
La unidad de cola es un conjunto de planos fijos y móviles que proporciona estabilidad y control en el cabeceo (profundidad) y la guiñada (dirección) de una aeronave.
Históricamente, el primer empenaje que fue inventado por el hombre es el que estabiliza la flecha del arco (la palabra empenaje viene de penne que significa "pluma grande"); de hecho, sin su cola, la flecha tiende a interponerse en su trayectoria, lo que limita severamente su alcance y por lo tanto su efectividad. (imagen del dardo enfrente)
Composición y funcionamiento
La unidad de cola convencional se compone de un conjunto de perfiles aerodinámicos posicionados para tener poca o ninguna incidencia cuando la aeronave está en vuelo de crucero estable. En caso de perturbación de este equilibrio, el ángulo de incidencia inducido por el movimiento crea una fuerza y, por tanto, un momento alrededor del centro de masas que devuelve la aeronave a la posición neutra. Para aumentar el momento, las superficies de apoyo de la unidad de cola están lo más alejadas posible del centro de las masas y se colocan, con mayor frecuencia, en la cola del fuselaje. El tamaño de estos elementos está condicionada por la presencia de desestabilizar factores (fallo de un motor de aeronave con múltiples motores, exceso de alta elevación , gran centro de gravedad gama ) y por el grado de estabilidad buscaba. La superficie de la unidad de cola es relativamente grande para un avión de transporte de pasajeros; relativamente bajo para un avión de combate para no obstaculizar la maniobrabilidad del avión.
La guiñada estabilizadora se obtiene mediante una superficie vertical, denominada estabilizador vertical o deriva .
La estabilización del tono se logra mediante una superficie horizontal, llamada estabilizador horizontal. Como el equilibrio de la aeronave puede modificarse en función de la carga y del consumo de combustible, esta superficie horizontal tiene una parte móvil (timón), o es totalmente móvil, para asegurar un momento de compensación. En vuelo estabilizado, el ángulo de ataque puede ser, por tanto, ligeramente positivo o negativo para mantener la aeronave en posición horizontal.
Cada una de estas superficies también tiene partes móviles para modificar voluntariamente el equilibrio de guiñada, el timón para el control del giro, y el equilibrio en cabeceo, el elevador para el control de la subida o bajada.
Aparte de los arreglos "clásicos" también encontramos:
- unidades de cola formadas por superficies inclinadas, unidades de cola en forma de V , que garantizan al mismo tiempo equilibrio y control en ambos planos;
- unidades de cola totalmente móviles;
- Aeronaves sin cola, cuya estabilización y control se obtienen mediante superficies móviles dispuestas en el ala, superficies de control delante del ala o solo mediante un motor específico.
Cola vertical
Deriva única
El estabilizador vertical generalmente consta de una parte fija y una parte móvil:
Hay estabilizadores verticales de "una pieza" (toda la superficie gira); esta disposición se encuentra en aviones ligeros (Jodel, Luciole, Volksplane).
Deriva múltiple
La cola vertical puede ser doble o triple en algunos aviones, generalmente multimotor con hélices.
Los aviones de doble viga como el Lockheed P-38 son generalmente bidérives. El alargamiento efectivo del estabilizador horizontal se incrementa por el efecto de placa final de las aletas. También juega un papel estructural al unir las dos vigas.
El avión furtivo para uso militar como el Lockheed Martin F-22 Raptor (EE. UU.), El Sukhoi T-50 (PAK-FA) (Rusia) o el Chengdu J-20 (China) de doble cola diagonal. En el J-20 chino, estos se componen de una sola pieza totalmente móvil y giran alrededor de un eje central.
Cola horizontal
El estabilizador horizontal generalmente consta de una parte horizontal que puede tener varias variantes:
- un plano horizontal fijo con una profundidad de dirección móvil es el tipo "clásico".
- un plano horizontal ajustable equipado con un ascensor. La nivelación del plano horizontal se puede ajustar en vuelo para garantizar el equilibrio adecuado para las condiciones de velocidad y equilibrio ( compensación ).
- un plano horizontal móvil provisto también de una trampilla de ascensor móvil, formando el conjunto el ascensor. Las dos superficies pivotan en la misma dirección, el flap gira más que la parte delantera (cola de Airbus ).
- un plano horizontal móvil de "una pieza" provisto de una pequeña solapa trasera; las dos superficies pivotan en la misma dirección, la pequeña solapa trasera ( lengüeta ) sirve tanto como compensador de fuerza (para reducir las fuerzas necesarias para que la palanca se mueva en el plano horizontal) como como compensación de elevación.
Tipos de cola
Cola en T
El plano de profundidad se puede montar en la parte superior de la aleta:
- para reducir el efecto suelo (estabilidad de cabeceo de los aviones con efecto suelo),
- en el caso de los parapentes, para minimizar el arrastre y no atrapar la vegetación al aterrizar en el campo.
Ejemplos: Douglas DC-9 , Vickers VC-10 , Xian Y-20 ...
Cola en V
En algunos modelos, la cola está formada por dos partes oblicuas, creando una cola de "mariposa".
Ejemplos: Fouga Magister , Beech V-35 , Robin ATL ...
Cola "Pelikan"
Esta cola experimental fue diseñada por Ralph Pelikan, ingeniero de McDonnell .
Se compone de dos superficies horizontales extendidas por unidades de cola inclinadas hacia afuera que permiten, como en el caso de una unidad de cola en V, el control de guiñada y cabeceo de forma simultánea o independiente.
Este tipo de empenaje fue seleccionado originalmente por Boeing para equipar el X-32 .
Otros móviles con empenaje
Dirigibles
Como cuerpo de menor resistencia (a un volumen determinado), los dirigibles también experimentan problemas de estabilidad aerodinámica (su centro lateral de sustentación está delante de su morro, por lo tanto muy delante de su centro de masa). En su libro Drag , SF Hoerner indica que la estabilización pasiva de aeronaves mediante empenajes impondría superficies de empenajes demasiado grandes. A tal estabilización pasiva, por lo tanto, se prefiere tener una estabilización activa obtenida mediante la desviación de las superficies de control por parte del piloto, siendo este pilotaje efectivo, en la práctica, con ángulos de control de las superficies de control inferiores a 5 °.
Submarinos
Los submarinos sufren los mismos problemas de estabilidad que los dirigibles. Los grandes ingenieros militares Gustave Zédé y Henri Dupuy de Lôme llegan juntos a la conclusión de que, para su estabilidad en carretera (en cabeceo y guiñada), los dirigibles y los submarinos deben estar equipados con unidades de cola. Prueba de ello es el submarino eléctrico Gymnote , botado en 1888.
En los submarinos militares, sin embargo, la necesidad de reducir el eco del sonar devuelto por estos empenajes limita necesariamente su área al mínimo.
Barcos rápidos
La velocidad extrema de ciertos barcos de competición (que son vehículos mitad acuáticos, mitad aéreos) los hace aerodinámicamente inestables; si el casco se aleja demasiado del cuerpo de agua se comporta como el ala de un avión en el despegue, por lo que sus fabricantes deben adoptar, para estabilizarlos, estabilizadores horizontales y verticales (ver foto de la derecha).
Aeronaves sin cola
Algunas aeronaves no tienen empenaje:
Ala voladora pura (sin estabilizador ni horizontal ni vertical) Las funciones de estabilización y timón en los ejes de balanceo y guiñada se transfieren al ala, cuya forma plana, perfiles de carga y timones se modifican en consecuencia. Tipo péndulo de ala libre Estos dispositivos (llamados ala delta ) tienen una flecha fuerte, así como un pequeño bolsillo en la quilla que actúa como estabilizador. para desarrollar. Cohetes Si los entusiastas de los cohetes tienen cola (generalmente Phillips, es decir, arreglada + o x, ver imagen arriba contras), los cohetes que lanzan satélites (cohetes de agencias estatales, a menudo) no muestran con frecuencia cola. Dado que tales dispositivos son aerodinámicamente inestables , su estabilización y control de su trayectoria están asegurados por la rápida orientación del empuje de sus motores (toberas orientables o motores direccionales con empuje vectorial ). Históricamente, las cuatro pequeñas aletas traseras del cohete lunar Saturno V solo estaban allí para frenar el viraje que necesariamente habría seguido a una falla total de los motores de la primera etapa. El propósito de esta desaceleración del escarpado era solo alargar el tiempo necesario para tomar la decisión de abandonar la misión (y rescatar a la tripulación activando la torre de rescate ). Existía un dispositivo equivalente en el cohete lunar soviético N1 , en forma de una unidad de cola de cuatro paneles celulares .Aviones sin estabilizador horizontal
Algunos aviones no tienen cola horizontal:
Ala voladora Con una aleta de fuselaje axial (ala derecha) o bien dos aletas colocadas en el extremo del ala (ala barrida); Alas delta En los aviones de ala delta sin cola, el elevador está integrado en el ala y se llama elevador. Si además cumple la función de alerón (mezcla de las superficies de control), se llama elevon ; Aviones de pato Algunos aviones tienen un avión canard ubicado en la parte delantera, que no es una cola sino un ala a favor del viento. La función del elevador puede cumplirse mediante una aleta colocada en el plano del pato, pero de hecho es el alerón trasero el que desempeña el papel de estabilizador estabilizador.Planos de "tres superficies"
El Piaggio P180 Avanti es un avión convencional (con cola trasera) que también cuenta con un avión canard en la parte delantera. Tales configuraciones se denominan tres superficies (debemos agregarles el par de alas principales).
Material y decoración de las unidades de cola.
Los planos se pueden individualizar mediante gráficos particulares, en particular en las superficies verticales de las unidades de cola.
Fallo en vuelo
Las fallas verticales de la cola provocaron la pérdida de control y el choque:
- Vuelo 123 de Japan Airlines (520 muertos, 1985), ruptura debido a la explosión de una pared de presurización mal remachada;
- Vuelo 587 de American Airlines (265 muertos, 2001), ruptura debido a acciones repetidas y demasiado brutales de la deriva por parte del piloto.
Notas y referencias
Notas
- Por ejemplo en el modelo de dardos.
- Pilotaje es el término utilizado en el campo de los cohetes para referirse a las acciones destinadas a controlar su inestabilidad aerodinámica.
- En caso de exceso, la máquina entra en un circuito aéreo que termina en un choque a menudo dramático.
Referencias
- Definiciones lexicográficas y etimológicas de "empenaje" (significado B) de la tesorería computarizada del idioma francés , en el sitio web del Centro Nacional de Recursos Textuales y Léxicos .
- (en) Evan Hadingham, "El ganador se lo lleva todo (todo el morderse las uñas, las dudas y la brillantez de la ingeniería en la batalla para construir mejor el JSF) " , revista Air & Space , Smithsonian Institution ,1 st de enero de de 2003, p. 2 y 3 ( leído en línea , consultado el 5 de mayo de 2008 ).
- Hoerner, 1965 .
- Hoerner 1992 .
- SF Hoerner y HV Borst 1985 , p. 19-24.
- P. 48 y 49 de La enciclopedia de los submarinos franceses, nacimiento de una nueva arma, Éditions SPE Barthélémy
Apéndices
Bibliografía
-
SF Hoerner , Resistencia al avance de los fluidos , París, Gauthier-Villars,1965( OCLC 727875556 , ASIN B07B4HR4HP ). .
-
(en) SF Hoerner , Arrastre fluidodinámico: información teórica, experimental y estadística ,1992( OCLC 228216619 ). .
-
(en) SF Hoerner y HV Borst, Fluid-Dynamic Lift, información práctica sobre levantamiento aerodinámico e hidrodinámico , Liselotte A. Hoerner ed.,1985( [1] ). .