El estabilizador horizontal es la superficie horizontal fija del empenaje
Un plano de cola», también conocido como estabilizador horizontal, es una pequeña superficie de sustentación situada en la cola (Sección de cola) detrás de las superficies elevadoras principales de un avión de ala fija.[1] Los autogiros y algunos helicópteros también cuentan con estabilizadores horizontales como parte de su conjunto de cola.[2] No todas las aeronaves de ala fija tienen estabilizadores horizontales.[3] Los aviones Canard, sin cola y ala volante no tienen estabilizador horizontal separado, mientras que en los aviones con cola en V, el estabilizador vertical o timón, el estabilizador horizontal y el elevador se combinan para formar dos superficies diagonales en forma de V.[4][5]
La función del estabilizador horizontal es proporcionar estabilidad y control. En particular, el estabilizador horizontal ayuda a ajustar los cambios en la posición del centro de presión o del centro de gravedad causados por cambios en la velocidad y la trayectoria, el consumo de combustible o la pérdida de carga o la carga útil.[6]
El estabilizador horizontal comprende el estabilizador fijo montado en la cola y el timón de profundidad móvil. Además de su forma del ala, se caracteriza por:
Número de estabilizadores horizontales: de 0 (avión sin cola o canard) a 3 (triplano Roe).
Ubicación del estabilizador horizontal: montado en la parte alta, media o baja del fuselaje, la aleta o los puntales de cola.
Un ala con un perfil aerodinámico convencional contribuye negativamente a la estabilidad longitudinal. Esto significa que cualquier perturbación (como una ráfaga de viento) que eleve el morro produce un momento de cabeceo hacia arriba que tiende a elevar aún más el morro. Con la misma perturbación, la presencia de un estabilizador horizontal produce un momento de cabeceo hacia abajo que puede contrarrestar la inestabilidad natural del ala y hacer que la aeronave sea longitudinalmente estable (de forma muy similar a como una veleta siempre apunta hacia el viento).
La estabilidad longitudinal de una aeronave puede cambiar cuando se vuela «sin manos», es decir, cuando los controles de vuelo están sujetos a fuerzas aerodinámicas, pero no a las fuerzas aplicadas por el piloto.
Amortiguación
Además de proporcionar una fuerza restauradora (que por sí sola provocaría un movimiento oscilatorio), el estabilizador horizontal proporciona amortiguación. Esto se debe al viento relativo que se ve en la cola cuando la aeronave gira alrededor del centro de gravedad. Por ejemplo, cuando la aeronave está oscilando, pero está momentáneamente alineada con el movimiento general del vehículo, el estabilizador horizontal sigue viendo un viento relativo que se opone a la oscilación.
Elevación
Dependiendo del diseño de la aeronave y del régimen de vuelo, su estabilizador horizontal puede generar una elevación positiva o negativa (fuerza descendente). A veces se supone que en una aeronave estable esto siempre será una fuerza descendente neta, pero esto no es cierto.[8]
En algunos diseños pioneros, como el Bleriot XI, el centro de gravedad se encontraba entre el punto neutro y el estabilizador horizontal, que también proporcionaba sustentación positiva. Sin embargo, esta disposición puede ser inestable y estos diseños solían tener graves problemas de manejo. Los requisitos de estabilidad no se comprendieron hasta poco antes de la Primera Guerra Mundial, época en la que se diseñó el biplano ligero británico Bristol Scout para uso civil, con una cola sustentadora aerodinámica durante toda su producción hasta los primeros años de la Primera Guerra Mundial y el servicio militar británico de 1914 a 1916 , cuando se comprendió que al desplazar el centro de gravedad más hacia delante se podía utilizar un estabilizador horizontal sin sustentación, en el que la sustentación no es ni positiva ni negativa, sino cero, lo que conduce a un comportamiento más estable. [9] Ejemplos posteriores de aviones de la Primera Guerra Mundial y de los años de entreguerras que tenían planos de cola con sustentación positiva incluyen, cronológicamente, el Sopwith Camel, el Spirit of St. Louis de Charles Lindbergh y el Gee Bee Model R Racer, todos ellos aviones con fama de difíciles de pilotar, y el biplano canadiense de entrenamiento Fleet Finch de dos plazas, más fácil de pilotar, que poseía una unidad de estabilizador horizontal con perfil aerodinámico de fondo plano similar al del anterior Bristol Scout. Sin embargo, con cuidado, un estabilizador horizontal con sustentación puede hacerse estable. Un ejemplo de ello es el interceptor propulsado por cohetes VTOLBachem Ba 349 Natter, que tenía una cola con sustentación y era estable y controlable en vuelo.[10]
Algunos aviones y modos de vuelo pueden requerir que el estabilizador horizontal genere una fuerza descendente considerable. Esto ocurre especialmente cuando se vuela lentamente y con un ángulo de ataque (AoA) elevado. En algunos tipos, la demanda en este modo de vuelo ha sido tan extrema que ha provocado el bloqueo del estabilizador horizontal. En el Gloster Meteor T.7, la turbulencia podía provocar un bloqueo cuando se desplegaban los frenos aerodinámicos. En el McDonnell Douglas F-4 Phantom II, esto ocurría inicialmente durante el despegue y la aproximación al aterrizaje, por lo que se instalaron slats de borde de ataque en el estabilizador horizontal en posición invertida para mantener un flujo de aire suave y la «elevación» de la fuerza descendente con un AoA elevado. El entrenador Pilatus P-3 requería una quilla ventral para corregir un efecto similar cuando giraba, mientras que el McDonnell Douglas T-45 Goshawk sufría un exceso de descarga descendente del ala cuando se desplegaban los flaps desplegados, lo que requería una pequeña superficie «SMURF» fijada al fuselaje, de modo que se alineara con la raíz del borde de ataque del estabilizador en el ángulo crítico.[11]
↑Anderson, John D., «Introduction to Flight», 5.ª ed., p. 517
↑Burns, BRA (23 de febrero de 1985), «Canards: Design with Care», Flight International: 19-21, «Es un error pensar que los aviones con cola siempre llevan cargas descendentes en el estabilizador horizontal. Normalmente es así, con los alerones bajados y en posiciones del centro de gravedad hacia delante, pero con los alerones subidos y el centro de gravedad hacia atrás, las cargas de la cola a alta sustentación suelen ser positivas (hacia arriba), aunque rara vez se alcanza la capacidad máxima de sustentación de la cola.».. p. 19p. 20p.21
↑Respuestas a los corresponsales, “'Flight”', 2 de noviembre de 1916, página 962; «Una «cola elevadora» es aquella que normalmente soporta una cierta carga y que, por lo tanto, a menudo se curvaba para hacerla más eficiente. Por ejemplo, los estabilizadores horizontales de los antiguos biplanos Farman eran «estabilizadores horizontales elevadores» y, de hecho, estaban bastante curvados. Por estabilizador horizontal no elevador se entiende uno que, en condiciones normales de vuelo, no soporta ninguna parte de la carga, sino que simplemente «flota». Este tipo de plano suele estar fabricado, aunque no siempre, con una sección simétrica, es decir, es un plano perfectamente plano, construido con una estructura de tubos de acero, o está construido con largueros y costillas al estilo de los planos principales, pero con una sección simétrica y convexa en ambos lados. El objetivo de esta última forma de sección es, por supuesto, proporcionar una buena forma «aerodinámica» que ofrezca una resistencia mínima. Durante el vuelo, es habitual que este tipo de plano de cola se cargue momentáneamente, ya sea hacia arriba o hacia abajo, según las circunstancias, y entonces, por supuesto, el plano de cola deja de ser, en sentido estricto, «sin sustentación». ... un plano de cola sin sustentación no es siempre simétrico en su sección. Algunos diseñadores prefieren una sección en la que la superficie superior es convexa, mientras que la superficie inferior es perfectamente plana. Las razones que suelen esgrimir para emplear una sección de este tipo son que, dado que los planos de cola pueden funcionar —y, de hecho, lo hacen con frecuencia— en la corriente descendente de los planos principales, un plano de cola paralelo a la trayectoria de la máquina o, en otras palabras, paralelo al eje de la hélice, está prácticamente sujeto a una carga que actúa en dirección descendente. Ahora bien, un plano de cola asimétrico como el mencionado anteriormente sigue proporcionando una cierta sustentación a un ángulo de incidencia, mientras que la sección simétrica, por supuesto, no proporcionaría sustentación cuando la incidencia fuera cero. Por lo tanto, la sección plano-convexa tiende, debido a la ligera sustentación sin ángulo de incidencia, a contrarrestar el efecto de la corriente descendente de las alas, por lo que puede decirse que es equivalente a un plano plano o aerodinámico situado en un ligero ángulo con respecto al eje de la hélice. El plano de cola del B.E.2C, como ocurre en la mayoría de las máquinas modernas, es del tipo sin sustentación».
↑Green, W.; “'Warplanes of the Third Reich”', Macdonald and Jane's, 1970.
