El timón de dirección, la clave
El Polikárpov I-16 «Mosca» era un avión avanzado para su época. Fue el principal avión de caza de las VVS soviéticas desde mediados de los años treinta. Corto, ligero, con tren de aterrizaje retráctil y un potente motor Shvetsov M-22, poseía excelentes cualidades de maniobrabilidad. Tenía un radio de viraje especialmente corto para un monoplano. Su estabilidad longitudinal era más compleja y resultaba delicado de manejar durante el despegue y los aterrizajes, lo que hacía de él un aparato difícil.
El picado, una maniobra fundamental en el combate aéreo, también tenía sus particularidades.
Nos lo explica nuestro compañero de ADAR Héctor Guillén en este artículo técnico.
El movimiento del avión
En un avión en vuelo hay tres superficies de control que gobiernan los movimientos básicos que puede realizar.
Las primeras son los alerones, situados en las alas y accionados al mover la palanca de mando hacia la izquierda o hacia la derecha. Este movimiento origina una rotación alrededor del eje longitudinal del avión, que recibe el nombre de alabeo —guerxament, en catalán—.
Les segones són els timons de profunditat, situats a les superfícies horitzontals de la cua. S’accionen inclinant la palanca de comandament cap endavant o cap enrere i fan que l’avió abaixi o aixequi el morro, respectivament. Aquest moviment s’anomena cabeceo —capcineig, en catalán—.
La tercera superficie es el timón del dirección, situado en la parte vertical de la cola. Se acciona mediante los pedales. Al moverlo hacia un lado o hacia el otro, hace girar el avión hacia la izquierda o hacia la derecha, manteniendo su desplazamiento aproximadamente sobre un plano horizontal. Este movimiento se denomina guiñada —guinyada, en catalán—.
Así pues, en teoría, cuando un avión se encuentra en picado y queremos volver al vuelo horizontal levantando el morro, habría que tirar de la palanca de mando hacia atrás para actuar sobre los timones de profundidad.
Sin embargo, al leer las memorias de algunos pilotos de «Mosca» o escuchar sus anécdotas sobre el comportamiento de este modelo, a menudo encontramos la referencia a que, con el I-16, para salir de un picado a gran velocidad había que utilizar el pedal. Es decir, había que actuar sobre el timón de dirección.
¿A qué se debía esto? El objetivo de este artículo es explicarlo.
Un avión que se desplaza horizontalmente va «cortando» el aire que lo rodea. El movimiento relativo del aparato respecto a ese aire genera un flujo alrededor de las alas. A menudo se representa como un flujo laminar, es decir, como si el aire estuviera distribuido en capas uniformes y horizontales que las alas van separando.
Si tenemos dos moléculas de aire situadas una junto a la otra, pero en capas diferentes, cuando el ala llegue a ellas, una se desplazará por la parte superior del ala y la otra por la parte inferior. En el modelo simplificado del flujo laminar, cuando estas dos moléculas hayan recorrido toda el ala, deberían acabar encontrándose aproximadamente en el mismo punto y al mismo tiempo.
Las alas de un avión tienen la parte superior curvada. Esto hace que, según la interpretación clásica, las partículas de aire que circulan por la parte superior deban recorrer una distancia mayor y, por tanto, se muevan más deprisa que las que pasan por debajo. Al circular a una velocidad más elevada, ejercerían una presión menor sobre la superficie superior del ala que las partículas que pasan por debajo. Esta diferencia de presiones generaría una fuerza hacia arriba denominada sustentación, que es la que permite que el avión vuele.
Hay que precisar, sin embargo, que esta explicación es una simplificación didáctica: la sustentación depende principalmente de la diferencia de presiones producida por el ángulo de ataque y la circulación del aire alrededor del perfil, no simplemente del hecho de que el aire de la parte superior tenga que recorrer una distancia mayor.
En la figura 1 podemos ver un diagrama del flujo de aire —representado mediante flechas rojas— sobre el ala del «Mosca». En este caso, el piloto acciona el timón de profundidad para hacer que el avión ascienda.
Esto hace que el flujo de aire que incide sobre la cola —flecha rosa— choque con los timones de profundidad y empuje la cola hacia abajo, al tiempo que eleva el morro —flechas marrones—. La flecha gris indica la dirección y el sentido del vuelo.
En la figura 2 podemos ver el mismo avión realizando la misma maniobra, pero a una velocidad más elevada —flecha gris—. En este caso, como el avión se desplaza más rápidamente, el flujo de aire se separa antes y la zona de flujo alterado se extiende más hacia atrás con respecto al ala del avión.
El picador del Polikarpov I-16 «Mosca»
Dos de las características del «Mosca» que contribuían a su maniobrabilidad eran las alas relativamente grandes y el fuselaje corto. Esto hacía que la cola estuviera mucho más cerca de las alas que en otros modelos de avión.
Sin embargo, estas características también podían tener un efecto no deseado durante los picados a gran velocidad.
En la figura 3 podemos ver los flujos de aire alrededor de un «Mosca» en picado a gran velocidad. El avión aparece dibujado en posición horizontal, pero hay que imaginarlo inclinado hacia delante. La flecha gris indica la dirección del movimiento.
Podem observar com l’amplada de l’ala, combinada amb la gran velocitat, fa que el flux d’aire es separi i no incideixi correctament sobre la cua. En no haver-hi prou aire «net» que xoqui contra els timons de profunditat, aquests perden eficàcia. Per tant, encara que el pilot mogui la palanca, les superfícies poden generar una força insuficient per modificar de manera apreciable el moviment de l’avió.
Este efecto de las alas sobre la cola se llama sombra aerodinámica o enmascaramiento aerodinámico..
En la figura 4 vemos el mismo avión en planta. Las flechas rojas representan el flujo de aire que genera la sombra aerodinámica, ya que corresponde a la zona que pasa por la parte más ancha del ala. Las flechas amarillas representan el flujo de aire que no se ve afectado por este efecto, porque pasa por las zonas más estrechas del ala.
En este artículo denominaremos «flujo sucio» al flujo representado con las flechas rojas, y «flujo limpio» al representado con las flechas amarillas.
Si las alas fueran menos anchas o el fuselaje fuera más largo y, por tanto, la cola estuviera más separada de las alas, este efecto se produciría con menor intensidad.
¿Qué ocurre, pues, si, en la situación que hemos descrito, el piloto pisa uno de los pedales? Podemos verlo en la figura 5.
Antes de continuar, hay que aclarar que el timón de dirección, que controla la guiñada, no se ve afectado del mismo modo por este efecto. Su posición vertical hace que siga recibiendo un flujo de aire incidente y, por tanto, el piloto conserve cierto control sobre este eje.
En esta imagen, el piloto pisa el pedal derecho y hace que el fuselaje del avión gire hacia ese lado —flechas marrones—. Como el avión continúa en picado, sigue descendiendo, pero ahora el fuselaje queda inclinado respecto a la dirección del desplazamiento —flecha gris—.
Esto hace que el flujo de aire que incide sobre el avión ya no llegue exactamente de frente, sino también de costado. La consecuencia directa, como puede verse en las flechas amarillas y rojas, es que los timones de profundidad empiezan a recibir una parte del flujo de aire «limpio»
De este modo, los timones de profundidad recuperan parte de su eficacia. El piloto vuelve a disponer de control sobre el cabeceo y puede empezar a salir del picado.
Hay que tener presente que el procedimiento real dependía de la velocidad, el ángulo del picado, la configuración del avión y las instrucciones específicas de vuelo. A gran velocidad, una maniobra brusca podía provocar esfuerzos estructurales muy elevados; por eso, la recuperación debía hacerse con mucha prudencia. En términos generales, el timón de dirección no «sustituía» a los timones de profundidad, sino que modificaba el ángulo de incidencia del flujo sobre el conjunto del avión y podía ayudar a recuperar su eficacia. En una recuperación moderna de un picado, también es esencial controlar la velocidad, reducir la potencia si procede y evitar un tirón excesivo de la palanca.
Héctor Guillén.
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