Pruebas de vuelo parte 2. Maniobras para identificación de la dinámica longitudinal en una aeronave de ala fija

La estimación de las derivadas de control y estabilidad se lleva a cabo principalmente a partir de la respuesta dinámica de una aeronave por medio de entradas de control específicas. Se requiere de una variedad de maniobras para excitar el movimiento dinámico en los diferentes ejes de la aeronave, estas pueden ser pulso, escalón, multiescalón o entradas armónicas. 

Se recomienda que se inicie cada maniobra a partir de vuelo recto y nivelado y se debe dejar de 5 - 10 segundos en vuelo estacionario antes de aplicar cualquier entrada de control. Dependiendo de la maniobra se debe dejar oscilar suficiente tiempo la aeronave para que los datos obtenidos sean representativos.

Maniobra de aceleración-desaceleración 

Se inicia desde una condición de vuelo recto y nivelado, la aeronave se desacelera cambiando la posición de la palanca de potencia a idle position y manteniendo la altitud usando el control del cabeceo. Una vez que se alcanza la velocidad mínima (justo por encima de la velocidad de desplome), la palanca de potencia se mueve de idle a full, acelerando la aeronave. Una vez que se alcanza la máxima velocidad, nuevamente se mueve la palanca a idle desacelerando a la velocidad inicial (initial trim speed) con lo que termina la prueba. En algunos casos esta prueba se lleva a cabo para pequeñas variaciones cerca de la condición de trim. Esta maniobra se realiza en un rango amplio de velocidades y también a diferentes altitudes. Esto permite conocer la capacidad de aceleración y la estabilidad longitudinal. Las variaciones de la velocidad de la mínima a la máxima resultan en una gran variación en el ángulo de ataque y tal maniobra de aceleración-desaceleración es usada con el propósito de caracterizar su dependencia. En algunos casos para obtener un modelo matemático más refinado se aplican entradas en elevador (usualmente dobletes) en un intervalo regular durante la fase de aceleración.

Maniobra de periodo corto

El periodo corto (short period), es un modo longitudinal de respuesta rápida que proporciona la información que permite estimar las derivadas relacionadas al movimiento vertical y cabeceo. La maniobra de periodo corto se inicia desde vuelo recto y nivelado por medio de la aplicación del movimiento del elevador o cualquier otra entrada de control longitudinal, la cuál usualmente es un doblete o una entrada multi-escalón (multistep). Un doblete es una entrada de pulsos de dos lados, mientras que la entrada multiescalón es una combinación adecuada de más de dos pulsos.

El tiempo del escalón de dichas entradas es elegido de tal manera que el periodo corto sea excitado bien. Los detalles para diseñar la forma correcta de la entrada de multiescalón y la elección apropiada del tiempo se tratarán en una entrada independiente. Se considera como buena métrica que la entrada influya entre 3 - 4 grados en la variación del ángulo de ataque a partir del valor compensado (trimmed value) o en términos de factor de carga la variación típica debe ser ± 0.4 - 0.5 g. La duración aproximada de esta maniobra es de cerca de 15 - 20 segundos. Debe llevarse a cabo a diferentes velocidades (trim speeds). Puede que sea necesario que las amplitudes de las maniobras sean mayores para estimar la parte no lineal. 

Mientras se apliquen entradas multiescalón en el elevador, los pilotos deben prestar atención porque en casos especiales tienden a mantener el ángulo de ataque, particularmente durante aproximación; esta práctica contrasta al principio básico de la exitación del modelo longitudinal, resultando en la variación del ángulo de ataque.

Maniobra de modo fugoide

El modo fugoide es un modo de larga duración, el cual puede ser excitado ya sea a través de un pulso en elevador  o la variación del empuje. En general, un ciclo completo de movimiento fugoide es requerido para hacer la estimación de parámetros.

Para la validación de bases de datos en simuladores de vuelo, la precisión del modelo tiene que ser demostrada en 3 ciclos completos.

En esta imagen se puede apreciar la variación de los periodos que existen entre el periodo corto y el modo fugoide en un Boeing 747. Tomado y modificado de "Dynamics of flight Stability and control, Bernard Etkin et al. John Wiley and Sons 1996, Third edition"

 

Pushover-pullup

La maniobra pushover-pullup, también llamada montaña rusa y en algunos casos "caballitos", es ejecutada para conocer las características de levantamiento y arrastre, la estabilidad longitudinal y los requerimientos de compensación de elevador (elevator trim requirements). La maniobra se inicia desde un vuelo compensado (trimmed level flight) y se empuja lentamente el bastón, reduciendo el ángulo de ataque continuamente lo que provocará una caída en picada lenta. Una vez que se alcanza la velocidad máxima, el bastón se jalará lentamente para incrementar el ángulo de ataque, lo que llevará a un ascenso lento. Una vez que se llegue a la velocidad mínima (justo antes de la velocidad de desplome) el bastón es nuevamente empujado lentamente para regresarlo a la condición de trim original. A diferencia de la maniobra de aceleración-desaceleración, las maniobras pushover-pullup son llevadas a cabo a empuje constante. De esta maniobra se obtienen variaciones significantes en la aceleración vertical, típicamente se cubre el rango de 0.0 - 2.0 g, lo cual se usa en las polares de arrastre. La duración aproximada de esta maniobra es de 40 - 50 segundos.

Maniobra de level-turn

Esta maniobra se lleva a cabo de vuelo recto y nivelado, se comienza por inclinar lentamente una de las alas de la aeronave hasta llegar a 30, 45 o 60 grados a una tasa de 10 deg/s, se mantiene dicha actitud por varios segundos, después se inclina la aeronave hacia el lado opuesto y nuevamente se mantiene esa actitud por varios segundos; finalmente se nivelan las alas. La altitud es mantenida durante las maniobras a través de potencia adicional. Lo anterior resulta en una trayectoria de vuelo de tipo "S" en el plano horizontal. El rumbo al inicio y al final debe ser prácticamente el mismo

Maniobra de variación de empuje

Se lleva a cabo aplicando un doblete de larga duración al acelerador. Es útil para determinar los efectos dinámicos debidos a las variaciones de empuje en el movimiento longitudinal, por ejemplo el efecto del downwash en el estabilizador horizontal. Además ayuda a determinar los efectos del coeficiente de empuje en las derivadas aerodinámicas, particularmente para aeronaves con hélice donde tales efectos son dominantes.

AHC