El timó de direcció, la clau
El Polikarpov I-16 «Mosca» era un avió avançat per la seva època. Era l’avió central de caça de les VVS Soviètiques des de mtijans dels anys 30. Curt, lleuger, amb tren d’aterratge retràctil i un potent motor Shvetsov M-22 posseïa unes excel·lents qualitats de maniobrabilitat. Tenia un radi de viratge especialment curt per a un monoplà. La seva estabilitat longitudinal era més complexa, i era delicat de manejar durant l’enlairament i els aterratges, el que en feia un aparell difícil.
El picat, maniobra capdal en la lluita aèria, també tenia les seves particularitats.
Ens ho explica el nostre company d’ADAR Héctor Guillén en aquest tècnic article.
El moviment de l’avió
En un avió en vol hi ha tres superfícies de control que governen els moviments bàsics que pot fer.
Les primeres són els alerons, situats a les ales i accionats movent la palanca de comandament cap a l’esquerra o cap a la dreta. Aquest moviment origina una rotació al voltant de l’eix longitudinal de l’avió, que rep el nom de guerxament —alabeo, en castellà—.
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 capcineig —cabeceo, en castellà—.
La tercera superfície és el timó de direcció, situat a la part vertical de la cua. S’acciona mitjançant els pedals. En moure’l cap a un costat o cap a l’altre, fa girar l’avió cap a l’esquerra o cap a la dreta, mantenint-ne el desplaçament aproximadament sobre un pla horitzontal. Aquest moviment s’anomena guinyada —guiñada, en castellà—.
Així doncs, en teoria, quan un avió es troba en un picat i volem tornar al vol horitzontal aixecant el morro, caldria estirar la palanca de comandament cap enrere per actuar sobre els timons de profunditat.
No obstant això, en llegir les memòries d’alguns pilots de «Mosca» o escoltar les seves anècdotes sobre el comportament d’aquest model, sovint trobem la referència que, amb l’I-16, per sortir d’un picat a gran velocitat calia utilitzar el pedal. És a dir, calia actuar sobre el timó de direcció.
A què es devia això? L’objectiu d’aquest article és explicar-ho.
Un avió que es desplaça horitzontalment va «tallant» l’aire que l’envolta. El moviment relatiu de l’aparell respecte d’aquest aire genera un flux al voltant de les ales. Sovint es representa com un flux laminar, és a dir, com si l’aire estigués distribuït en capes uniformes i horitzontals que les ales van separant.
Si tenim dues molècules d’aire situades una al costat de l’altra, però en capes diferents, quan l’ala hi arriba, una es desplaçarà per la part superior de l’ala i l’altra per la part inferior. En el model simplificat del flux laminar, quan aquestes dues molècules hagin recorregut tota l’ala, haurien d’acabar trobant-se aproximadament en el mateix punt i al mateix temps.
Les ales d’un avió tenen la part superior corbada. Això fa que, segons la interpretació clàssica, les partícules d’aire que circulen per la part superior hagin de recórrer una distància més gran i, per tant, es moguin més de pressa que les que passen per sota. En circular a una velocitat més elevada, exercirien una pressió menor sobre la superfície superior de l’ala que les partícules que passen per sota. Aquesta diferència de pressions generaria una força cap amunt anomenada sustentació, que és la que permet que l’avió voli.
Cal precisar, però, que aquesta explicació és una simplificació didàctica: la sustentació depèn principalment de la diferència de pressions produïda per l’angle d’atac i la circulació de l’aire al voltant del perfil, no simplement del fet que l’aire de la part superior hagi de recórrer una distància més gran.
A la figura 1 podem veure un diagrama del flux d’aire —representat amb fletxes vermelles— sobre l’ala del «Mosca». En aquest cas, el pilot actua sobre el timó de profunditat per fer pujar l’avió.
Això fa que el flux d’aire que incideix sobre la cua —fletxa rosa— xoqui amb els timons de profunditat i empenyi la cua cap avall, alhora que aixeca el morro —fletxes marrons—. La fletxa grisa indica la direcció i el sentit del vol.
A la figura 2 podem veure el mateix avió fent la mateixa maniobra, però a una velocitat més elevada —fletxa grisa—. En aquest cas, com que l’avió es desplaça més ràpidament, el flux d’aire es separa abans i la zona de flux alterat s’estén més enrere respecte de l’ala de l’avió.
El picat del Polikàrpov I-16 «Mosca»
Dues de les característiques del «Mosca» que contribuïen a la seva maniobrabilitat eren les ales relativament grans i el fuselatge curt. Això feia que la cua estigués molt més a prop de les ales que en altres models d’avió.
Tanmateix, aquestes característiques també podien tenir un efecte no desitjat durant els picats a gran velocitat.
A la figura 3 podem veure els fluxos d’aire al voltant d’un «Mosca» en picat a gran velocitat. L’avió hi apareix dibuixat en posició horitzontal, però cal imaginar-lo inclinat cap endavant. La fletxa grisa indica la direcció del moviment.
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.
Aquest efecte de les ales sobre la cua s’anomena ombra aerodinàmica o emmascarament aerodinàmic.
A la figura 4 hi veiem el mateix avió en planta. Les fletxes vermelles representen el flux d’aire que genera l’ombra aerodinàmica, ja que correspon a la zona que passa per la part més ampla de l’ala. Les fletxes grogues representen el flux d’aire que no pateix aquest efecte, perquè passa per les zones més estretes de l’ala.
En aquest article anomenarem «flux brut» el flux representat amb les fletxes vermelles, i «flux net» el representat amb les fletxes grogues.
Si les ales fossin menys amples o el fuselatge fos més llarg i, per tant, la cua estigués més separada de les ales, aquest efecte es produiria amb menys intensitat.
Què passa, doncs, si en la situació que hem descrit el pilot trepitja un dels pedals? Ho podem veure a la figura 5.
Abans de continuar, cal aclarir que el timó de direcció, que controla la guinyada, no queda afectat de la mateixa manera per aquest efecte. La seva posició vertical fa que continuï rebent flux d’aire incident i, per tant, el pilot manté un cert control sobre aquest eix.
En aquesta imatge, el pilot trepitja el pedal dret i fa que el fuselatge de l’avió giri cap a aquest costat —fletxes marrons—. Com que l’avió continua en picat, segueix baixant, però ara el fuselatge queda inclinat respecte de la direcció del desplaçament —fletxa grisa—.
Això fa que el flux d’aire que incideix sobre l’avió ja no arribi exactament de proa, sinó també de costat. La conseqüència directa, tal com es pot veure en les fletxes grogues i vermelles, és que els timons de profunditat comencen a rebre una part del flux d’aire «net».
D’aquesta manera, els timons de profunditat recuperen part de la seva eficàcia. El pilot torna a disposar de control sobre el capcineig i pot començar a sortir del picat.
Cal tenir present que el procediment real depenia de la velocitat, l’angle del picat, la configuració de l’avió i les instruccions específiques de vol. En una situació d’alta velocitat, una maniobra brusca podia provocar esforços estructurals molt elevats; per això, la recuperació s’havia de fer amb molta prudència. En termes generals, el timó de direcció no «substituïa» els timons de profunditat, sinó que modificava l’angle d’incidència del flux sobre el conjunt de l’avió i podia ajudar a recuperar-ne l’eficàcia. En una recuperació moderna d’un picat, també és essencial controlar la velocitat, reduir la potència si escau i evitar una estrebada excessiva sobre la palanca.
Héctor Guillén.
Deixa un comentari