Principios básicos.

Además de que un avión vuele, es necesario que este vuelo se efectúe bajo control del piloto; que el avión se mueva respondiendo a sus órdenes. Los primeros pioneros de la aviación estaban tan preocupados por elevar sus artilugios que no prestaban mucha atención a este hecho; por suerte para ellos nunca estuvieron suficientemente alto y rápido como para provocar o provocarse males mayores.

Una de las contribuciones de los hermanos Wright fue el sistema de control del avión sobre sus tres ejes; su Flyer disponía de timón de profundidad, timón de dirección, y de un sistema de torsión de las alas que producía el alabeo.

Por otro lado, es de gran interés contar con dispositivos que, a voluntad del piloto, aporten sustentación adicional (o no-sustentación) facilitando la realización de ciertas maniobras.

1.5.1  Superficies aerodinámicas.

Para lograr una u otra funcionalidad se emplean superficies aerodinámicas, denominándose primarias a las que proporcionan control y secundarias a las que modifican la sustentación.

Las superficies de mando y control modifican la aerodinámica del avión provocando un desequilibrio de fuerzas, una o más de ellas cambian de magnitud. Este desequilibrio, es lo que hace que el avión se mueva sobre uno o más de sus ejes, incremente la sustentación, o aumente la resistencia.

A la hora de diseñar estas superficies, se ponen límites a su movimiento para prevenir que el piloto inadvertidamente sobreactúe sobre los mandos pudiendo producir daños estructurales al avión durante las maniobras habituales. Si el avión está bien diseñado, será estable y fácilmente controlable en condiciones normales.

1.5.2   Ejes del avión.

Se trata de rectas imaginarias e ideales trazadas sobre el avión. Su denominación y los movimientos que se realizan alrededor de ellos son los siguientes:

Eje longitudinal. Es el eje imaginario que va desde el morro hasta la cola del avión. El movimiento alrededor de este eje (levantar un ala bajando la otra) se denomina alabeo (en inglés "roll"). También se le denomina eje de alabeo, nombre que parece más lógico pues cuando se hace referencia a la estabilidad sobre este eje, es menos confuso hablar de estabilidad de alabeo que de estabilidad "transversal".

Eje transversal o lateral. Eje imaginario que va desde el extremo de un ala al extremo de la otra. El movimiento alrededor de este eje (morro arriba o morro abajo) se denomina cabeceo ("pitch" en inglés). También denominado eje de cabeceo, por las mismas razones que en el caso anterior.

Eje vertical. Eje imaginario que atraviesa el centro del avión. El movimiento en torno a este eje (morro virando a la izquierda o la derecha) se llama guiñada ("yaw" en inglés). Denominado igualmente eje de guiñada.

En un sistema de coordenadas cartesianas, el eje longitudinal o de alabeo sería el eje "x"; el eje transversal o eje de cabeceo sería el eje "y", y el eje vertical o eje de guiñada sería el eje "z". El origen de coordenadas de este sistema de ejes es el centro de gravedad del avión.

Los movimientos del avión se realizan sobre uno o mas de estos ejes en función de la acción del piloto sobre los mandos de control, acción que da lugar al movimientos de las superficies primarias o de control que veremos a continuación.

1.5.3   Superficies primarias.

Son superficies aerodinámicas movibles que, accionadas por el piloto a través de los mandos de la cabina, modifican la aerodinámica de dichas superficies provocando el movimiento del avión sobre sus ejes y de esta manera el seguimiento de la trayectoria de vuelo deseada.

Las superficies de control son tres: alerones, timón de profundidad y timón de dirección. El movimiento en torno a cada eje se controla mediante una de estas tres superficies. La diferencia entre un piloto y un conductor de aviones es el uso adecuado de los controles para lograr un movimiento coordinado. Veamos cuales son las superficies de control, como funcionan, y como las acciona el piloto. Aunque en general los movimientos se describen en referencia al volante de control (“cuernos”) la descripción es igualmente válida para los aviones que montan en su lugar palanca de control.

Alerones. Palabra de origen latino que significa "ala pequeña", son unas superficies móviles, situadas en la parte posterior del extremo de cada ala y se mueven en direcciones opuestas (arriba y abajo) el uno del otro. Están conectados mediante cables y poleas al volante o palanca de control y su accionamiento provoca el movimiento de alabeo (“roll”) del avión sobre su eje longitudinal. Su ubicación en el extremo del ala se debe a que en esta parte es mayor el par de fuerza ejercido. El movimiento de estas superficies es limitado y relativamente corto, aproximadamente del orden de 20º-25º hacia arriba y unos 12º-15º hacia abajo.

Funcionamiento: Los alerones tienen un movimiento asimétrico. Al girar el volante hacia un lado, el alerón del ala de ese lado sube y el del ala contraria baja, ambos en un ángulo de deflexión proporcional a la cantidad de giro dado al volante o movimiento izquierda-derecha de la palanca de control. El alerón arriba en el ala hacia donde se mueve el volante/palanca implica menor curvatura en esa parte del ala y por tanto menor sustentación, lo cual provoca que esa ala baje; el alerón abajo del ala contraria supone mayor curvatura y sustentación lo que hace que esa ala suba. Esta combinación de efectos contrarios es lo que produce el movimiento de alabeo hacia el ala que desciende y con ello el viraje del avión hacia ese lado.

Supongamos por ejemplo que queremos realizar un movimiento de alabeo a la derecha: giramos el volante (o la palanca de control en su caso) a la derecha; el alerón derecho sube y esa ala desciende (menor sustentación); de forma simultánea, el alerón izquierdo baja y esa ala sube (mayor sustentación). El diferencial de sustentación hará virar el avión a la derecha tal como se muestra en la figura 154.

Es evidente, según hemos visto en capítulos anteriores, que de la misma forma que se produce una diferencia de sustentación en las alas, también se genera en las mismas una resistencia diferencial, resistencia que da lugar al fenómeno conocido como guiñada adversa.

Timón de profundidad. Es la superficie o superficies móviles situadas en la parte posterior del empenaje horizontal de la cola del avión. Aunque su nombre podría sugerir que se encarga de hacer elevarse o descender al avión, en realidad su accionamiento provoca el movimiento de cabeceo (“pitch”) del avión (morro arriba o morro abajo) sobre su eje transversal. Obviamente, el movimiento de cabeceo del avión provoca la modificación del ángulo de ataque; es decir que el mando de control del timón de profundidad controla el ángulo de ataque.

Como hemos visto en capítulos anteriores, este movimiento tiene como eje el Centro de Gravedad y su amplitud está determinado por el mayor o menor movimiento del volante o palanca de control, así como por la distancia del timón al Centro de Gravedad y la efectividad aerodinámica de dicha superficie.

En algunos aviones, el empenaje horizontal de cola es de una sola pieza haciendo las funciones de estabilizador horizontal y de timón de profundidad.

Lo mismo que los alerones, esta superficie está conectada al volante/palanca de control mediante una serie de cadenas y poleas de modo que es accionado por el piloto empujando o tirando del volante/palanca de control, y suele tener una deflexión máxima de 40º hacia arriba y 20º hacia abajo.

Funcionamiento: Al tirar hacia atrás del volante/palanca de control, esta superficie sube mientras que al empujarlo baja -en algunos aviones se mueve la totalidad del empenaje horizontal-. El timón arriba produce menor sustentación en la cola, con lo cual esta baja y por tanto el morro sube (mayor ángulo de ataque); por el contrario, el timón abajo aumenta la sustentación en la cola, esta sube y por tanto el morro baja (menor ángulo de ataque). De esta manera se produce el movimiento de cabeceo del avión y por extensión la modificación del ángulo de ataque.

Timón de dirección. Es la superficie móvil montada en la parte posterior del empenaje vertical de la cola del avión y su movimiento provoca el movimiento de guiñada (“yaw”) del avión sobre su eje vertical. Sin embargo, ello no hace virar el aparato, sino que se suele utilizar para equilibrar las fuerzas en los virajes o para centrar el avión en la trayectoria deseada. Suele tener una deflexión máxima de 30º a cada lado. Esta superficie se maneja mediante unos pedales situados en el suelo de la cabina.

Funcionamiento: Al pisar el pedal derecho, el timón de dirección gira hacia la derecha, provocando una reacción aerodinámica en la cola que hace que esta gire a la izquierda, y por tanto el morro del avión gire (guiñada) hacia la derecha. Al pisar el pedal izquierdo, sucede lo contrario: timón a la izquierda, cola a la derecha y morro a la izquierda.

El manejo de los mandos de control, según se ha visto es bastante intuitivo:

• Alabeo a la derecha ⇒ volante a la derecha.
• Alabeo a la izquierda ⇒ volante a la izquierda.
• Morro abajo (menor ángulo de ataque) ⇒ empujar el volante.
• Morro arriba (mayor ángulo de ataque) ⇒ tirar del volante.
• Guiñada a la derecha ⇒ pedal derecho.
• Guiñada a la izquierda ⇒ pedal izquierdo.

Al basarse los mandos de control en principios aerodinámicos, es obvio que su efectividad será menor a bajas velocidades que a altas velocidades. Es conveniente tener esto en cuenta en maniobras efectuadas con baja velocidad.

El que las superficies de control estén lo más alejadas posible del Centro de Gravedad del avión no es casualidad, sino que debido a esta disposición su funcionamiento es más efectivo con menor movimiento de la superficie y menos esfuerzo.

1.5.4   Compensadores.

El piloto consigue la actitud de vuelo deseada mediante los mandos que actúan sobre las superficies de control, lo cual requiere un esfuerzo físico por su parte; imaginemos un vuelo de un par de horas sujetando los mandos y presionando los pedales para mantener el avión en la posición deseada.

Para evitar este esfuerzo físico continuado, que podría provocar fatiga y falta de atención del piloto, con el consiguiente riesgo, el avión dispone de compensadores. Estos son unos mecanismos, que permiten que las superficies de control se mantengan en una posición fijada por el piloto, liberándole de una atención continuada a esta tarea.

Aunque no todos los aviones disponen de todos ellos, los compensadores se denominan según la función o superficie a la que se aplican: de dirección, de alabeo, o de profundidad.

1.5.5   Superficies secundarias.

Es posible disminuir la velocidad mínima que sostiene a un avión en vuelo, mediante el control de la capa límite, modificando la curvatura del perfil, o aumentando la superficie alar. Las superficies que realizan una o más de estas funciones se denominan superficies hipersustentadoras.

Las superficies primarias nos permiten mantener el control de la trayectoria del avión, las secundarias, también llamadas auxiliares, se utilizan en general para modificar la sustentación del avión y hacer más fáciles muchas maniobras. Las superficies secundarias son: flaps, slats y spoilers o aerofrenos.

Flaps. Los flaps, cuya función es la de aumentar la sustentación del avión cuando este vuela a velocidades inferiores a aquellas para las cuales se ha diseñado el ala, son los dispositivos hipersustentadores más comunes usados en aeroplanos. Situados habitualmente en la parte interior trasera de las alas, se deflectan hacia abajo de forma simétrica (ambos a la vez), en uno o más ángulos, con lo cual cambian la curvatura del perfil del ala (más pronunciada en el extradós y menos pronunciada en el intradós), la superficie alar (en algunos tipos de flap) y el ángulo de incidencia, todo lo cual aumenta la sustentación (y también la resistencia).

En la figura anterior (fig.158), se representan unas posiciones y grados de calaje de flaps como ejemplo, pues el número de posiciones de flaps así como los grados que corresponden a cada una de ellas varía de un avión a otro.

Se accionan desde la cabina, bien por una palanca, por un sistema eléctrico, hidráulico o cualquier otro sistema, con varios grados de calaje (10º, 15º, etc..) correspondientes a distintas posiciones de la palanca o interruptor eléctrico, y no se bajan o suben en todo su calaje de una vez, sino gradualmente. En general, deflexión de flaps de hasta unos 15º aumentan la sustentación con poca resistencia inducida adicional, pero deflexiónes mayores incrementan esa resistencia en mayor proporción que la sustentación. En despegues con flaps se suele utilizar una deflexión no mayor de 15º mientras que en aterrizajes la deflexión habitual varía entre 25º - 40º.

En la siguiente figura se muestra de forma gráfica como la extensión de flaps aumenta el coeficiente de sustentación, lo cual nos permite volar con velocidades mas bajas, pero ¡OJO! el ángulo de ataque con el cual se produce la pérdida permanece invariable.

Hay varios tipos de flaps: sencillo, de intradós, flap zap, flap fowler, flap ranurado, flap Krueger, etc.

• Sencillo. Es el más utilizado en aviación ligera. Es una porción de la parte posterior del ala que al desplegarse hacia abajo incrementa la curvatura del perfil.
• De intradós. Situado en la parte inferior del ala (intradós) su efecto es menor dado que solo afecta a la curvatura de la parte inferior.
• Zap. Similar al de intradós, al desplegarse se desplaza además hacia el extremo del ala, aumentando la superficie del perfil además de su curvatura.
• Fowler. Idéntico al flap zap, se desplaza totalmente hasta el extremo del ala, aumentando enormemente la curvatura y la superficie alar.
• Ranurado (slotted). Se distingue de los anteriores, en que al ser desplegado deja una o más ranuras que comunican el intradós y el extradós, produciendo una gran curvatura a la vez que crea una corriente de aire que elimina la resistencia de otros tipos de flaps. Junto con el flap fowler es el mas utilizado en grandes aviones.
• Krueger. Como los anteriores, pero situado en el borde de ataque en vez del borde de salida. Aunque este tipo de flap tiene un efecto aerodinámico que pudiera parecer similar al slat, no debe confundirse con este último; en este caso la parte del intradós más cercana al borde de ataque se desplaza hacia abajo.

Los flaps únicamente deben emplearse en las maniobras de despegue, aproximación y aterrizaje, o en cualquier otra circunstancia en la que sea necesario volar a velocidades más bajas que con el avión "limpio".

Los efectos que producen los flaps son:

• Aumento significativo de la sustentación.
• Aumento notable de la resistencia.
• Posibilidad de volar a velocidades más bajas sin entrar en pérdida.
• Se necesita menor longitud de pista en despegues y aterrizajes.
• La senda de aproximación o de despegue se hace más pronunciada.
• En el momento de su deflexión el avión tiende a ascender y perder velocidad.
• Desplaza el Centro de Presiones hacia atrás en el ala creando una tendencia a bajar el morro del avión (picado).

Slats. Son superficies hipersustentadoras que actúan de modo similar a los flaps. Situadas en la parte anterior del ala, al desplegarse dejan una ranura (slot) por la cual se canaliza desde el intradós (flujo de mayor presión) hacia el extradós una corriente de aire de alta velocidad que aumenta la sustentación permitiendo alcanzar mayores ángulos de ataque sin entrar en pérdida.

Se emplean generalmente en grandes aviones para aumentar la sustentación en operaciones a baja velocidad (aterrizajes y despegues), aunque también hay modelos de aeroplanos ligeros que disponen de ellos.

Los slats al desplegarse varían la aerodinámica del perfil, aumentando su coeficiente de sustentación y desplazando hacia el borde de salida del ala el punto del extradós en que el flujo de aire se separa y se hace turbulento. Mientras que, en el caso de los flaps el ángulo de ataque que producía la pérdida permanecía invariable, no así su velocidad, en este caso el ángulo de ataque que produce la pérdida es mayor con slats extendidos.

Si extender flaps disminuye la velocidad de pérdida y desplegar slats aumenta el ángulo de ataque crítico, por pura lógica, la combinación de extender ambas superficies proporcionará al aeroplano las dos características mejorando notablemente las operaciones de despegue y aterrizaje. En la siguiente figura se representa tal situación.

En algunos casos su despliegue y repliegue se realiza de forma automática; mientras la presión ejercida sobre ellos es suficiente los slats permanecen retraídos, pero cuando esta presión disminuye hasta un determinado nivel (cerca de la velocidad de pérdida) los slats de despliegan de forma automática. Debido al súbito incremento o disminución (según se extiendan o replieguen) de la sustentación en velocidades cercanas a la pérdida, debemos extremar la atención cuando se vuela a velocidades bajas en aviones con este tipo de dispositivo.

Spoilers o aerofrenos. Al contrario que los anteriores, el objetivo de esta superficie es disminuir la sustentación del avión. Se emplean sobre todo en aviones que debido a su diseño de baja resistencia desarrollan altas velocidades y sirven para frenar el avión en vuelo, perder velocidad y facilitar el aterrizaje, ayudar a la frenada en tierra, y en algunos aviones como complemento de los alerones para el control lateral y los virajes en vuelo.

Las superficies secundarias (flaps, slats, spoilers) siempre funcionan en pareja y de forma simétrica, es decir el accionamiento del mando correspondiente provoca el mismo movimiento (abajo o arriba) de las superficies en las dos alas (excepto en los movimientos de los spoilers complementando a los alerones).

Al afectar a la sustentación, a la forma del perfil, y a la superficie alar, el que funcione una superficie y no su simétrica puede suponer un grave inconveniente. Asimismo, tienen un límite de velocidad, pasada la cual no deben accionarse so pena de provocar daños estructurales.

Ha habido accidentes de aviones comerciales debido al despliegue inadvertido de alguna de estas superficies en vuelo, lo cual ha llevado a mejorar los diseños, incorporando elementos que eviten su accionamiento a velocidades inadecuadas o alarmas de advertencia.

Debido al aumento de la sustentación (y también, aunque parezca contradictorio, de la resistencia), tanto flaps como slats suelen ser desplegados en las operaciones de despegue de grandes aviones, sobre todo en situaciones poco habituales (avión a plena carga, mucha temperatura ambiente, aeropuerto situado a mucha altitud, poca longitud de pista, etc.)

En los aviones comerciales, todas estas superficies (primarias y secundarias) se mueven por medios eléctricos e hidráulicos. La razón es obvia; su envergadura hace que las superficies de control sean mayores; están más alejadas de los mandos que las controlan, y además soportan una presión mucho mayor que en un avión ligero. Todo esto reunido hace que se necesite una fuerza extraordinaria para mover dichas superficies, fuerza que realizan los medios mencionados.

Para más información sobre esta materia aquí dejo unos enlaces:

• Winglets
• Algunos factores aerodinámicos acerca de los flaps.