Balance, Estabilidad y Centro de Gravedad del avión
Balance, Estabilidad y Centro de Gravedad del avión
Efectos del Peso
Cualquier artículo a bordo de la aeronave que aumente el peso total no es deseable para el rendimiento. Los fabricantes intentan hacer una aeronave tan liviana como sea posible sin sacrificar resistencia o seguridad.
El piloto siempre debe ser consciente de las consecuencias de la sobrecarga. Un avión sobrecargado puede no ser capaz de dejar la tierra, o si llega a volar, puede exhibir características de vuelo inesperadas e inusualmente pobres. Si no está bien cargado, la indicación inicial del mal rendimiento por lo general se lleva a cabo durante el despegue.
El exceso de peso reduce la performance de vuelo en casi todos los aspectos. Por ejemplo, las deficiencias de performance más importantes de un avión sobrecargado son:
• Mayor velocidad de despegue
• Carrera de despegue más larga
• Reducción de la velocidad y el ángulo de ascenso
• Altitud máxima inferior
• Menor alcance
• Velocidad de crucero reducida
• Maniobrabilidad reducida
• Mayor velocidad de pérdida
• Mayor velocidad de aproximación y aterrizaje
• Mayor carrera de aterrizaje
• Exceso de peso en la rueda de la nariz o de cola
El piloto debe estar bien informado sobre el efecto del peso sobre el desempeño de la aeronave que está volando. La planificación pre-vuelo debe incluir una revisión de las tablas de rendimiento para determinar si el peso de la aeronave puede contribuir a operaciones de vuelo peligrosas. El exceso de peso en sí mismo reduce los márgenes de seguridad disponibles, y se hace aún más peligroso cuando otros factores que reducen el rendimiento se combinan con el exceso de peso. El piloto también debe tener en cuenta las consecuencias de una aeronave sobrecargada en una condición de emergencia. Si el motor falla en el despegue o se forma hielo a baja altura, es demasiado tarde para reducir el peso de la aeronave para mantenerla en el aire.
Cambios en el peso del avión.
El peso operativo de un avión se puede cambiar simplemente alterando la carga de combustible. El combustible tiene un peso considerable, 0,72 kilos por litro. Cien litros de combustible pueden llegar a pesar más que un pasajero. Si un piloto reduce el peso del avión reduciendo combustible, se debe tener en cuenta la disminución del alcance de la aeronave durante la planificación del vuelo. Durante el vuelo, el consumo de combustible es normalmente el único cambio de peso que ocurre. Al consumir combustible, un avión se vuelve más liviano y mejora el rendimiento.
Los cambios de equipos afectan el peso de un avión. La instalación de radios o instrumentos adicionales, así como reparaciones o modificaciones también pueden afectar el peso de un avión.
Balance, Estabilidad y Centro de Gravedad
El balance se refiere a la ubicación del CG de una aeronave, y es importante para la estabilidad y la seguridad en vuelo. El CG es un punto en el que la aeronave se equilibraría si se suspendiera de ese punto.
La principal preocupación en el balance de una aeronave es la ubicación del CG más adelante o más atrás a lo largo del eje longitudinal. El CG no es necesariamente un punto fijo; su ubicación depende de la distribución del peso en el avión. Al desplazar o consumir ítems de carga variables, hay un cambio resultante en la ubicación del CG. La distancia entre los límites delantero y trasero para la posición del centro de gravedad o rango de CG está certificado para cada aeronave por el fabricante. El piloto debe comprender que si el CG se desplaza demasiado hacia delante sobre el eje longitudinal, resultará una condición de picado. A la inversa, si el CG se desplaza demasiado atrás sobre el eje longitudinal, se produce una condición de “pesado de cola”. Es posible que el piloto no pueda controlar la aeronave si la ubicación del CG produce una condición inestable.
La ubicación del CG con referencia al eje lateral también es importante. Para cada ítem de peso existente a la izquierda de la línea central del fuselaje, existe un peso igual en su lugar correspondiente a la derecha.
Esto puede ser modificado por una carga lateral desequilibrada. La posición del CG lateral no se calcula en todos los aviones, pero el piloto debe conocer los efectos adversos que se originan como resultado de una condición de desbalance lateral. En un avión, se produce un desbalance lateral si la carga de combustible se administra mal al alimentar el motor de forma desigual desde un tanque de un lado del avión. El piloto puede compensar la condición resultante de ala pesada mediante el ajuste del compensador o manteniendo una presión constante sobre el control. Esta acción coloca los controles de la aeronave en una condición desalineada, aumenta la resistencia, y resulta en una menor eficiencia operativa. Dado que el balance lateral se señala cuando es necesario en el manual de vuelo del avión (AFM), y el balance longitudinal es más crítico, las próximas referencias al balance en este manual se refieren a la posición longitudinal del CG. Un piloto solo operando un giroavión pequeño, puede requerir peso adicional para mantener el avión balanceado lateralmente.
Volar un avión que está fuera de balance puede aumentar la fatiga del piloto con efectos evidentes en la seguridad y eficiencia del vuelo. La corrección natural del piloto para un desbalance longitudinal es un cambio de compensación para quitar la presión excesiva sobre el control. La excesiva compensación, sin embargo, tiene el efecto de reducir no sólo la eficiencia aerodinámica sino también la distancia del recorrido del control primario en la dirección que se aplica compensación.
Efectos del desbalance
El desbalance afecta las características del vuelo en las mismas maneras que las mencionadas para una condición de exceso de peso. Es de vital importancia cumplir con los límites de peso y balance establecidos para todas las aeronaves, especialmente helicópteros. La operación por encima del límite de peso máximo compromete la integridad estructural del helicóptero y afecta negativamente al rendimiento. El balance también es un factor crítico porque en un helicóptero a plena carga, desviaciones del CG tan pequeñas como de tres pulgadas puede cambiar dramáticamente las características de manejo. La estabilidad y el control también se ven afectados por un balance inadecuado.
Estabilidad
La carga en una condición de picado causa problemas en el control y la elevación de la nariz, especialmente durante el despegue y el aterrizaje. La carga en una condición de pesado de cola tiene un serio efecto sobre la estabilidad longitudinal, y reduce la capacidad de recuperarse de pérdidas y barrenas. Cargar pesado de cola también produce fuerzas de control muy livianas, otra característica indeseable.
Esto hace que sea fácil para el piloto sobre estresar inadvertidamente una aeronave.
Es importante reevaluar el balance en un helicóptero cuando cambia la carga. En la mayoría de los aviones, el descenso de un pasajero es poco probable que afecte adversamente al CG, pero el descenso de un pasajero en un helicóptero puede crear una condición de vuelo inseguro. Una condición de carga fuera de balance también disminuye la maniobrabilidad puesto que el control cíclico es menos efectivo en la dirección opuesta a la ubicación del CG.
Los límites para la ubicación del CG son establecidos por el fabricante. Estos son los límites delantero y trasero más allá de los cuales el CG no se debe ubicar para volar. Estos límites se publican para cada aeronave en la Certificación de Tipo o especificaciones de la aeronave en el manual de vuelo (AFM) o manual del piloto (POH). Si después de la carga el CG no está dentro de los límites admisibles, será necesario reubicar algunos ítems antes intentar el vuelo.
El límite delantero del CG se establece a menudo en una posición determinada por las características de aterrizaje de un avión. Durante el aterrizaje, una de las etapas más críticas del vuelo, exceder del límite delantero del CG puede resultar en carga excesiva en la rueda de nariz, tendencia a capotar en aviones convencionales, disminución del rendimiento, mayores velocidades de pérdida, y mayores fuerzas de control.
Control del centro de gravedad
En casos extremos, un CG ubicado más allá del límite delantero puede resultar en pesado de nariz, haciendo difícil o imposible la recogida en el aterrizaje. Los fabricantes ponen a propósito el límite delantero del CG tan atrás como sea posible para ayudar a los pilotos a evitar daños al aterrizar.
Además de la disminución de la estabilidad longitudinal estática y dinámica, otros efectos indeseables causados por un CG atrasado en el rango permitido pueden incluir dificultad extrema de control, características de pérdida violentas, y fuerzas de control muy ligeras que facilitan la sobrecarga de una aeronave sin darse cuenta.
Un límite delantero de CG restringido también se especifica para asegurar que está disponible suficiente deflexión del control/elevador a mínima velocidad.
Cuando las limitaciones estructurales no limitan la posición delantera del CG, se ubica en una posición donde se requiere de deflexión completa del timón de profundidad para obtener un alto AOA en el aterrizaje.
El límite trasero del CG es la posición más atrasada a la que puede ser ubicado el CG para la maniobra u operación más crítica. Al mover el CG hacia atrás, se produce una condición menos estable, lo que disminuye la capacidad de la aeronave de nivelarse después de maniobras o turbulencia.
Para algunas aeronaves, ambos límites del CG pueden ser especificados para variar con cambios del peso bruto. También se puede cambiar para ciertas operaciones, tales como vuelo acrobático, retracción del tren de aterrizaje, o la instalación de dispositivos y cargas especiales que cambian las características del vuelo.
La ubicación real del CG puede ser alterado por muchos factores variables y generalmente es controlada por el piloto. La ubicación del equipaje y la carga determina la ubicación del CG. La asignación de asientos para pasajeros también puede ser utilizado como un medio de obtener un balance favorable. Si una aeronave es pesada de cola, es lógico poner los pasajeros pesados en los asientos delanteros.
El consumo de combustible también puede afectar al CG basado en la ubicación de los tanques. Por ejemplo, los aviones pequeños transportan el combustible en las alas muy cerca del CG y el consumo de combustible tiene poco efecto sobre el CG. En helicópteros, los tanques de combustible a menudo se encuentran detrás del CG y el consumo de combustible de un tanque a popa del mástil del rotor hace que el CG se adelante.
Un helicóptero en estas condiciones tiene una actitud de nariz baja al establecer un vuelo estacionario después de un despegue vertical. Es necesario el desplazamiento excesivo hacia atrás del control cíclico para mantener un vuelo estacionario en una condición sin viento. El vuelo no debe continuar ya que el mando hacia atrás del cíclico se desvanece al consumir combustible. La desaceleración hasta detenerse también puede ser imposible. En caso de fallo del motor y autorrotación, puede que no haya suficiente control cíclico para aterrizar correctamente.
Para saber más:
Bibliografía.
U.S. Department of Transportation
Federal Aviation Administration