2. Control de vuelo

Capítulo 2
Control de vuelo
2.1.
Introducción
Además de la posibilidad de que un avión pueda volar, es necesario que
este vuelo se realice bajo el control del piloto, es decir, que el avión se mueva
respondiendo a las órdenes de éste. 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, las máquinas no volaron nunca
lo suficientemente alto ni rápido como para provocar o provocarse males
mayores.
Todo surgió poco después de que el alemán Otto Lilienthal (pionero de
la aviación, 1848-1896) despegara por primera vez en su planeador en 1891.
El problema de volar en una máquina más pesada que el aire creó un nuevo
reto llamado control de vuelo [6].
El control de vuelo ha avanzado considerablemente a lo largo de los años.
En sus primeros inicios, se consiguió un control de vuelo pionero gracias a
la deformación de las alas y a las superficies de control, a través de cables
conectados a los mandos de vuelo de la cabina de mando. Tal modo de ejercer
el control era claramente rudimentario, y se introdujo el uso de superficies
articuladas de control de vuelo. Pero el uso de cables y poleas para conectar
las superficies de control de vuelo a los controles del piloto persistió durante
muchos años, hasta que los avances en la estructura de los aviones hicieron
que esta técnica se considerara inadecuada para todos [7]. En la figura 2.1 se
muestra el esquema de un sistema mecánico primitivo.
Sobre la base del conocimiento básico de los principios de la ala curvada,
que le permitían producir una mayor elevación, Otto Lilienthal se dio cuenta
durante sus numerosos vuelos experimentales que despegar era más fácil que
mantenerse en el aire. Por tanto, para el control de sus vuelos, inventó el
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Figura 2.1: Sistema rudimentario para accionamiento de superficies móviles.
primer estabilizador lateral usando un timón vertical.
Los controles de vuelo cada vez requerían ser más complejos y sofisticados debido a la necesidad de que los aviones alcanzaran velocidades máximas
mayores. Velocidades más altas correspondían a mayores cargas en las superficies de control de vuelo que hacían que el avión fuera más difícil de
volar físicamente. Para superar estas grandes cargas en las superficies, comenzaron a utilizarse actuadores accionados hidráulicamente para ayudar a
los esfuerzos del piloto, reduciendo el esfuerzo físico requerido.
El control de vuelo continuó desarrollándose para mejorar la precisión de
puntería de los aviones de guerra, o la comodidad de los pasajeros, y fue
posible gracias al gran crecimiento de la electrónica a mediados del siglo XX,
llegando a introducirse la tecnología analógica en los aviones. Este crecimiento permitió la implementación de los amortiguadores de guiñada y sistemas
de auto-estabilización.
La tecnología avanzó hasta el punto en que se consiguieron sistemas híbridos: utilizando el sistema analógico con lógica de control discreta. Sin embargo, el rápido desarrollo y la madurez de la tecnología digital electrónica
pronto condujo a sistemas digitales “Fly-By-Wire” o DFBW [8]. A todo ello
hay que sumarle los experimentos de vuelo realizados por la NASA (1972) con
un F-8C Crusader modificado. Estas investigaciones sirvieron para verificar
el potencial del software de control de vuelo, en lugar de circuitos analógicos,
por medio de la tecnología del control digital “Fly-By-Wire” (DFBW). Este
sistema consiste en la incorporación de ordenadores en los sistemas eléctricos
de control, que son usados para controlar los actuadores de las superficies
de control de vuelo como, por ejemplo, los actuadores de los spoilers o de
los alerones. Estas superficies eran, anteriormente, controladas manualmen-
Capítulo 2. Control de vuelo
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te utilizando sistemas de control mecánicos o sistemas hidromecánicos. La
introducción de este nuevo sistema permite reducir el peso, y una mejor y
más segura maniobrabilidad y control del avión, al tiempo que proporciona
una reducción sustancial de costos. La tecnología DFBW terminó por aplicarse en aviones civiles como por ejemplo en el modelo de Airbus A320 y,
posteriormente en el modelo Boeing B777.
2.2.
Sistemas de control de vuelo
El movimiento de un avión se define con el movimiento de traslación y de
rotación alrededor de un conjunto fijo de ejes definidos. El sistema de control
de vuelo de un avión es un conjunto de equipos mecánicos y electrónicos,
que permiten al piloto ejercer el control del avión durante todas las fases del
vuelo. Este sistema de control de vuelo consta de los controles en cabina,
sensores, actuadores (hidráulicos, mecánicos o eléctricos) que accionan las
superficies de control y ordenadores.
Estas superficies aerodinámicas de control accionadas mediante diferentes
sistemas son tres: el elevador o timón de profundidad, timón de dirección o
rudder y alerones. Las superficies de control de vuelo modifican la aerodinámica del avión, provocando un desequilibrio de fuerzas, es decir, una o más
cambian de magnitud. Este desequilibrio es lo que hace que el avión se mueva
sobre uno o más de sus ejes, que incremente la sustentación, o que aumente
la resistencia. De acuerdo con su función, los mandos de vuelo que controlan
las superficies se clasifican en dos grandes grupos: control de vuelo primario
o secundario [9].
- Control de vuelo primario: mandos que ejecutan las acciones básicas de
control del avión, es decir, actúan sobre las superficies de control ya mencionadas.
• Alerón: palabra de origen latino que significa “ala pequeña”. Son unas
superficies móviles, situadas en la parte posterior del extremo de cada ala, como se muestra en la figura 2.2, y cuyo accionamiento provoca el movimiento
de alabeo 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 piloto
acciona los alerones girando el volante de control o palanca a la izquierda, o
la derecha.
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 con-
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Capítulo 2. Control de vuelo
Figura 2.2: Alerones de un avión.
traria baja, ambos en un ángulo de deflexión proporcional a la cantidad de
giro dado al volante. El alerón que se desplaza hacia arriba es hacia donde se
mueve el volante, el cual implica menor curvatura en esa parte del ala y, por
tanto, menor sustentación, lo cual provoca que esa ala baje. Por el contrario,
el alerón que se desplaza hacia abajo en el ala contraria supone una mayor
curvatura y sustentación, lo que hace que ese ala suba. Esta combinación de
efectos contrarios es lo que produce el movimiento de alabeo hacia el ala que
desciende. En la figura 2.3 se muestra este funcionamiento.
Figura 2.3: Movimiento de los alerones de un avión.
• Timón de profundidad o estabilizador horizontal: superficie o superficies móviles situadas en la parte posterior del empenaje horizontal de la cola
del avión, como se muestra en la figura 2.4. Se encarga de provocar el movimiento de cabeceo del avión (morro arriba o morro abajo) sobre su eje
transversal. Obviamente, el movimiento de cabeceo del avión, controlado por
el timón de profundidad, provoca la modificación del ángulo de ataque. El
timón de profundidad es accionado por el piloto empujando o tirando del
volante o de la palanca de control.
Funcionamiento. Al tirar del volante de control, esta superficie sube mientras que al empujarlo baja. El timón arriba produce menor sustentación en
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Figura 2.4: Estabilizador horizontal de un avión.
la cola, con lo cual ésta baja y, por tanto, el morro sube (mayor ángulo de
ataque). El timón abajo aumenta la sustentación en la cola, ésta sube y por
tanto, el morro baja (menor ángulo de ataque). De esta manera, se produce
el movimiento de cabeceo del avión y, por tanto, la modificación del ángulo
de ataque, mostrado en la figura 2.5.
Figura 2.5: Movimiento del estabilizador horizontal de un avión.
• Timón de dirección o estabilizador vertical: superficie móvil montada
en la parte posterior del empenaje vertical de la cola del avión. Su movimiento provoca el movimiento de guiñada del avión sobre su eje vertical, tal
y como se representa en la figura 2.6. Esto no implica que vire el avión, sino
que se suele utilizar para equilibrar las fuerzas en los virajes o para centrar
el avión en la trayectoria deseada. 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 ésta gire a la izquierda, y, por tanto, el morro del avión gire (guiñada)
hacia la derecha. Al pisar el pedal izquierdo, sucede lo contrario (figura 2.7).
- Control de vuelo secundario: sistemas con funciones auxiliares a las básicas, normalmente de sustentación, ya sea para el aumento o disminución
de ésta. Se puede conseguir aumentar la sustentación del ala mediante el au-
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Figura 2.6: Estabilizador vertical de un avión.
Figura 2.7: Movimiento del estabilizador vertical de un avión.
mento del ángulo de ataque del ala, o bien por el aumento de la curvatura del
ala, o mediante el aumento de la superficie alar. Componentes importantes
que pertenecen a este grupo son los flaps, slats y spoilers.
• Flaps: dispositivos hipersustentadores cuya función es la de aumentar
la sustentación del avión cuando éste vuela a velocidades inferiores para las
cuales se ha diseñado el ala. Situados 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, la superficie alar y
el ángulo de incidencia, y esto provoca un aumento de la sustentación, como
se muestra en la figura 2.8.
Funcionamiento. Se accionan desde la cabina, bien por palanca, por sistema eléctrico, o por cualquier otro sistema. Posee varios grados de calaje
correspondientes a distintas posiciones de la palanca o interruptor eléctrico, y no se bajan o suben de una vez, sino gradualmente. En general, las
deflexiones de flaps de hasta unos 15o aumentan la sustentación con poca
resistencia adicional, pero deflexiones mayores incrementan la resistencia, en
mayor proporción que la sustentación.
Existen varios tipos de flaps [10]:
- Sencillo. Es el más utilizado en aviación ligera. Es una porción de la
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Figura 2.8: Flaps de un avión.
parte posterior del ala.
Figura 2.9: Flap sencillo.
- De intradós. Situado en la parte inferior del ala (intradós), su efecto es
menor dado que sólo afecta a la curvatura del intradós.
Figura 2.10: Flap intradós.
- Zap. Similar al de intradós, al deflectarse se desplaza hacia el extremo
del ala, aumentando la superficie del ala además de la curvatura.
Figura 2.11: Flap Zap.
- Fowler. Idéntico al flap Zap, se desplaza totalmente hasta el extremo
del ala, aumentando enormemente la curvatura y la superficie alar.
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Capítulo 2. Control de vuelo
Figura 2.12: Flap Fowler.
- Ranurado. Se distingue de los anteriores en que al ser deflectado, 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.
Figura 2.13: Flap ranurado.
- Krueger. Como los anteriores, pero situado en el borde de ataque en vez
del borde de salida.
Figura 2.14: Flap Krueger.
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", es decir,
sin dispositivos de hipersustentación activados.
• Slats: superficies hipersustentadoras situadas en el borde de ataque del
ala, y que actúan de modo similar a los flaps. La aleta se despega del borde
de ataque del ala cuando está extendida, es decir, se deflecta y canaliza 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
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hay modelos de aeroplanos ligeros que disponen de ellos.
Figura 2.15: Slat de un avión.
En muchos casos, el despliegue y/o 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. También existe la modalidad de slats fijos o controlables.
Resaltar la gran similitud física entre el slat y el flap Krueger aunque poseen diferentes funcionalidades. El flap Krueger tiene una ventaja primordial
de carácter aerodinámico, que es la posibilidad de diseñar un borde de ataque
casi ideal, gracias a la poca interferencia que el flap hace con la zona superior
del ala, y por su plegamiento casi perfecto en la zona inferior formando el
cierre del borde de ataque del ala. Por el contrario, los slats son mecanismos
de extensión sobre el ala, y no de plegamiento, por lo que provocan más interferencias aerodinámicas que el flap.
• Spoilers o aerofrenos: superficies aerodinámicas situadas en el extradós
del ala (2.16), normalmente detrás del punto de máximo espesor, delante de
los flaps. El objetivo de esta superficie es disminuir la sustentación del avión,
y su posición normal es plegada, formando parte del contorno aerodinámico
del ala. Se emplean sobre todo en reactores que desarrollan altas velocidades,
y sirven para frenar el avión en vuelo, perder velocidad y facilitar el aterrizaje, ayudar a frenar en tierra, y en algunos aviones como complemento de
los alerones para el control lateral y los virajes en vuelo.
Es cierto que estas funciones descritas anteriormente pueden ocurrir o ser
necesitadas a la vez en un momento determinado. Para ello los sistemas de
control tienen implementados una lógica de prioridad de funciones.
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
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Figura 2.16: Spoiler de un avión.
alerones).
Las superficies de control, al afectar a la sustentación, a la forma del
perfil, y a la superficie alar, el que funcione una de éstas y no su simétrica
puede suponer un grave inconveniente. Asimismo, tienen un límite de velocidad, pasada la cual no deben accionarse bajo pena de provocar daños
estructurales.
Todas estas superficies (primarias y secundarias) se mueven a través de
actuadores accionados eléctrica, mecánica e hidráulicamente conjunta o individualmente.
Como consecuencia de la manera de activación de los actuadores, los
sistemas de control de vuelo también se pueden clasificar en sistemas de
accionamiento mecánico, hidráulico o eléctrico. Además, existen dos innovadores sistemas de señalización y alimentación llamados “Fly-By-Wire” o
“FBW” (eliminación de transmisión mecánica) y “Power-By-Wire” o “PBW”
(eliminación de transmisión hidráulica), aunque éstos tienen que ayudarse finalmente de los primeros sistemas de accionamiento mencionados para mover
la superficie de control.