Diseño de aeronaves: la forma de la cola

Las superficies de la cola se utilizan para estabilizar la aeronave y proporcionar los momentos de control necesarios en maniobras y compensación (trim). Debido a que estas superficies agregan lo que se conoce como "área húmeda" (área expuesta a la masa de aire) y peso estructural, a menudo se dimensionan para que sean lo más pequeñas posible. 

El tamaño de la cola en general se basa en la potencia de control requerida, aunque en algunos casos esta solución no es óptima. Sin embargo, antes de que se pueda realizar este análisis, se necesitan varias decisiones fundamentales sobre la configuración de la cola. Debajo se puede ver un resumen gráfico de la mayoría de variantes principales.

 

Desde el comienzo de la aviación se han empleado una gran variedad de formas de cola. En muchas ocasiones las formas de las colas son conocidas por el nombre de las letras a las que se parecen en una vista frontal: T, V, H, +, Y, V invertida. La selección de la configuración particular implica consideraciones complejas a nivel del sistema. Estas son algunas de las razones se han utilizado estas geometrías.

La configuración convencional con una cola horizontal baja es una elección natural, ya que las raíces de las superficies horizontales y verticales están convenientemente unidas directamente al fuselaje. En este diseño, la efectividad de la cola vertical es grande porque la interferencia con el fuselaje y la cola horizontal aumentan su relación de aspecto efectiva. Sin embargo, grandes áreas de las colas se ven afectadas por el flujo convergente del fuselaje, lo que puede reducir la presión dinámica local.

A menudo se elige una cola en T para alejar la cola horizontal del escape del motor y reducir la interferencia aerodinámica. La cola vertical es bastante efectiva, ya que está contenida en ambos extremos, en un lado por el fuselaje y en el otro por la cola horizontal. Al montar la cola horizontal al final de una vertical con aflechamiento, se puede aumentar la longitud de la cola horizontal. Esto es especialmente importante para los diseños como los que se emplean en los reactores de negocios. Las desventajas de esta disposición incluyen mayores cargas en las superficie vertical, posibles problemas relacionados con el flutter y problemas asociados con la pérdida extrema o deep stall.

Se puede montar la cola horizontal en medio de la superficie vertical para obtener una cola cruciforme. En esta disposición, la cola vertical no se beneficia de los efectos obtenidos con las colas convencionales o en T, sin embargo, se evitan en su mayoría los problemas estructurales con las colas en T y la configuración puede ser apropiada para evitar ciertos efectos de interferencia indeseables, particularmente en las inmediaciones de la pérdida. 

Las colas en V combinan las funciones de las colas horizontales y verticales. A veces se eligen por su mayor distancia al suelo, un número reducido de puntos de contacto con la superficie o por su aspecto novedoso, pero requieren una combinación de controles de timón de dirección y timón de profundidad y, a menudo, exhiben una autoridad reducida en el control de maniobras combinadas de guiñada y cabeceo.

Las colas en H utilizan las superficies verticales como terminaciones en los extremos de la cola horizontal, lo que aumenta su relación de aspecto efectiva. Las superficies verticales pueden hacerse más cortas ya que disfrutan de algunas ventajas en cuanto a la resistencia inducida asociada de la misma forma que los biplanos. Las colas en H se utilizan a veces en aviones de hélice para reducir el momento de guiñada asociado con el impacto de la corriente de producida por la hélice en la cola vertical. Los sistemas de control son algo más complejos y la distancia al suelo se reduce, por lo que no se suelen emplear de modo generalizado.

Las colas en forma de Y se han utilizado en aviones como el LearFan. En este diseño, la superficie vertical que se proyecta hacia abajo puede servir para proteger una hélice impulsora de golpes contra el suelo o puede reducir la interferencia generada por las revoluciones de la hélice que sería más severa con una disposición convencional con 2 o 4 palas. Las colas en V invertidas tienen algunas de las mismas características y problemas con la distancia al suelo, pero por otra parte producen momentos de alabeo naturales cuando se efectúa una guiñada.

Comentarios

  1. Creo recordar que Boeing voló un modelo sin empenaje vertical:
    https://www.popularmechanics.com/military/aviation/news/a27584/b-52-landed-without-a-tail-fin/

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    1. Efectivamente, un B-52H que sufrió fuertes rachas y acabó con la cola destrozada. Los pilotos tuvieron muuuucha suerte, lo normal es que el avión se estrelle, como lo ocurrido con el vuelo 587 de American Airlines, un Airbus A300. Se estrelló el 12 de noviembre de 2001 en Nueva York poco después del despegue. Las 260 personas a bordo del avión murieron, junto con cinco personas en tierra. El desastre fue debido al uso excesivo del timón en respuesta a la estela turbulenta de un Boeing 747-400 de Japan Airlines que había despegado minutos antes. Según la NTSB, el uso agresivo de los controles del timón por parte del primer oficial estresó el estabilizador vertical hasta que se partió.

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