miércoles, 28 de septiembre de 2016

El efecto del CG en la eficiencia de los aviones

Cuando se les pregunta a los pilotos cuál es la mejor forma de hacer la carga y centrado del avión para que el comportamiento de la aeronave sea más eficiente, la mayoría de ellos responden correctamente mencionando un posicionamiento trasero del centro de gravedad (CG). Cuanto más atrás se encuentre el CG, se vuela de forma más eficiente, suelen contestar todos. Efectivamente la condición más eficiente para la aeronave es aquella que se logra cuando el CG se sitúa a popa. Sin embargo, indagando sobre el tema, la comprensión de porqué esto es así no queda clara para la mayoría de ellos. Dado que el valor real de un piloto se basa en el conocimiento de los fundamentos de aerodinámica, y este es un tema frecuentemente abordado en las entrevistas de trabajo, vamos a discutir aquí este tema de forma muy sencilla y sin complicaciones.

En la Figura 1 que se muestra debajo se puede ver un perfil alar donde la gravedad actúa sobre una superficie sustentadora a través del centro de gravedad y en dirección al centro de la Tierra. Es el vector peso de la aeronave. Cuando un perfil alar se somete a una corriente de aire, se genera sustentación. Esta fuerza que eleva el ala está situada generalmente a lo largo de una línea que es aproximadamente dos tercios de la cuerda, medido desde el borde de ataque. Dado que el centro de sustentación está detrás del centro de gravedad, el par de fuerzas que se genera alrededor de la CG hace que la tendencia natural del aeroplano sea la de inclinar el morro hacia abajo. Esto es lo que se conoce como momento de cabeceo. Algo inherente al sistema que forman las fuerzas de un aeroplano y que afecta negativamente a la controlabilidad, y ayuda a explicar la escasez de diseños de aeronaves con configuraciones simples como las alas volantes sin cola. Las alas volantes que existen deben tener el CG situado muy cerca de sus centros de sustentación con el fin de ser controlables.

Este compromiso da lugar a serias limitaciones de carga y centrado para poder mantener la capacidad de control. Todo ello hace que disminuya la utilidad (categoría) de la aeronave. Recuérdese que de acuerdo con la EASA existen 4 categorías distintas de aeronaves por debajo de los 5.670 kg de peso: Normal, Utility, Aerobatic y Commuter. Ver CS23:
https://www.easa.europa.eu/system/files/dfu/decision_ED_2003_14_RM.pdf 

Figura 1. Par de fuerzas generando momento de cabeceo

Ala volante es la designación genérica dada para una configuración de avión de ala fija que sea capaz de vuelo estable, controlable sin la ayuda de la sustentación distinta de la del ala principal, es decir, sin superficies auxiliares tales como estabilizadores horizontales. Adicionalmente, el término se aplica generalmente al avión en el cual la mayor parte de la carga útil se transporta dentro del ala principal, que contiene la mayor parte de su volumen estructural. En algunos casos carece totalmente de un fuselaje diferenciado.

La forma más común de resolver este problema es colocar un segundo perfil alar, a modo de estabilizador horizontal. Esto se suele hacer situándolo en el extremo de un brazo lo más largo posible con el fin de ejercer como una palanca (por lo general en el tubo de cola) detrás del ala. Ya lo dijo Arquímedes: “Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo”. El objetivo principal de esta disposición es generar una carga hacia abajo (downforce en inglés) en el estabilizador horizontal para contrarrestar y neutralizar el par de fuerzas causado por el centro de presiones y el peso del ala. Esta disposición se representa esquemáticamente en la Figura 2 a continuación.

Figura 2. Corrección del momento de cabeceo añadiendo una carga hacia abajo creada en el estabilizador horizontal.
Todo este conjunto de fuerzas tiene un centro de gravedad al que se le permite variar dentro de límites. El límite delantero del CG se define como: la posición más avanzada del CG creando un momento de cabeceo máximo, pero que aún así permita el control de rotación de la aeronave en el despegue y la recogida (flare) en el aterrizaje. El límite del CG a popa (en su posición más retrasada) se define como: la condición de carga más retrasada que todavía permita a la aeronave poder ser recuperable en caso de pérdida. Curiosamente la clasificación de una aeronave según su utilidad está íntimamente ligada a las dimensiones de su envolvente de vuelo en cuanto a centrado y pesado. 

Considere ahora un avión cargado a tope en la parte delantera. En otras palabras, con su centro de gravedad en la posición más avanzada posible y que permita todavía su control. Esto es lo que se representa en la Figura 3 que se muestra a continuación. 

Figura 3. Avión cargado con su CG totalmente adelantado. El comportamiento es muy estable, pero por contra se  

Este avión se encuentra en vuelo recto y nivelado, sin aceleración y con un peso constante. La potencia se distribuye de la siguiente manera: 50% de la potencia disponible se dedica a generar la sustentación necesaria para mantener una altitud constante. el 10% de la potencia disponible debe ser dedicado a generar la carga hacia abajo con el estabilizador horizontal, necesaria para contrarrestar la tendencia natural de cabecear hacia abajo. Eso deja un 40% de la potencia disponible para generar el empuje y superar la resistencia. (Este es un ejemplo simplificado para demostrar este concepto, y los números no tienen intención de reflejar los valores exactos).

En la Figura 4 que se muestra a continuación, el mismo avión se ha vuelto a cargar con el mismo peso, pero el centro de gravedad ahora se encuentra ubicado en la parte más retrasada posible. El peso se desplaza a popa y esto contribuye a contrarrestar los efectos de la tendencia de cabeceo hacia abajo, al estabilizador horizontal se le descarga algo y ya no efectúa tanto trabajo. En este ejemplo, el peso total del avión no ha cambiado en comparación con el ejemplo anterior, por lo que 50% es la porción de la potencia disponible necesaria para mantener el nivel de vuelo. Sin embargo, ahora la carga de trabajo disminuye en el estabilizador horizontal y ya  no requiere tanta energía. Digamos que la demanda de potencia se ha reducido un 5% de la potencia total disponible. El otro 5% ha sido liberado y ahora puede estar disponible para ser añadido al valor del empuje. Este valor se incrementaría pues a un 45%.

Figura 4. El CG se sitúa lo más atrás posible.
Una vez que se logra la liberación de energía, el piloto espabilado sabe que tiene varias opciones para poder usarla. El empleo de la potencia suplementaria puede puede utilizarse para obtener una mayor velocidad de crucero. O si el objetivo principal no es una mayor velocidad de crucero, entonces se puede mantener la misma velocidad de crucero anterior pero con una potencia reducida, lo que resulta en un menor consumo de combustible. Existe una tercera posibilidad, que no es ni más ni menos que una combinación de estas dos situaciones anteriores.

Una nota interesante: Una solución elegante al problema anterior del momento de cabeceo es reconfigurar la estructura de aeronave y posicionar los elementos tal como se representa en la Figura 5 que se muestra a continuación. En este ejemplo, un perfil aerodinámico conocido como canard está montado en la parte delantera del ala. Esta superficie contrarresta el par de torsión que origina el cabeceo hacia abajo mediante la generación de sustentación positiva que se ejerce a modo de palanca en la sección de morro. Esta sustentación adicional nueva reduce la cantidad de sustentación que debe ser generada en el ala para poder mantener el nivel de vuelo. La energía combinada proporcionada por los valores de la sustentación del canard y la sustentación proporcionada por el ala suman un valor del 50% (igual al valor original que vimos anteriormente), permitiendo que el 50% restante de la energía se pueda emplear si se desea para crear más empuje.

Figura 5. Configuración canard con hélice impulsora.
Aunque la configuración canard parece ser la respuesta ideal a este problema, hay otras consideraciones que explican la relativa escasez de diseños canard que se encuentran en producción hoy en día. Los motores con hélices impulsoras situados a popa en la aeronave presentan grandes retos, ya que comúnmente requieren la adición de elementos que garanticen su temperatura óptima, tales como tomas de aire o aletines u otros aparatos de refrigeración, con el incremento de resistencia que ello conlleva. Esta resistencia adicional degrada la eficiencia, que es el objetivo de este diseño.

Un precioso avión con canard y hélices impulsoras es el Piaggio Avanti, pero en realidad este avión dispone también de un estabilizador horizontal convencional de 3,8 metros cuadrados.
Además, si el canard es móvil y proporciona control de vuelo, no se puede permitir que entre en pérdida antes que el ala. Con el fin de lograr esto, normalmente la cantidad de movimiento o desplazamiento de la superficie de control canard está limitada. Esto reduce notablemente la eficacia en la maniobra de recogida (flare) en el aterrizaje, lo que a su vez requiere mayor velocidad de aproximación y aterrizaje, amén de distancias más largas de pista. Esto también reduce la envolvente de vuelo y las posibles posiciones del CG (recordemos una vez más que el límite delantero del CG se define por la capacidad de poder rotar en el despegue y permitir una recogida en el aterrizaje).

Un experimento práctico: Se trata de volar un avión ligero en condiciones de viento en calma y que además vaya equipado con algún sistema de información de velocidad sobre tierra (GPS, DME, IRS, Loran, etc.). Coloque los asientos del piloto y copiloto hacia adelante lo más que pueda, teniendo en cuenta que pueda volar sin problemas. Compense el avión (Trim) para que este mantenga el nivel de vuelo sin necesidad de tocar los controles. Deje que la velocidad respecto al suelo se estabilice y anote la lectura. A continuación, mueva los asientos (y sus ocupantes) tan atrás como sea posible. Vuelva a compensar el aparato con el "trim" para volar nivelado sin tocar los controles de vuelo. Permita que la lectura de velocidad respecto sobre el suelo se estabilice otra vez. El aumento de velocidad le impresionará.

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