Teoría de vuelo

Actuaciones

Se llaman actuaciones del avión (performance) el resultado de la aplicación de fuerzas exteriores sobre la trayectoria de vuelo de la aeronave. El avión es considerado un punto material de masa.

Las fuerzas básicas que actúan sobre un avión son: la sustentación, resistencia aerodinámica, peso y empuje o tracción del motor. Además, cuando se curva la trayectoria de vuelo, aparece la fuerza centrífuga.

Clasificación de los movimientos del avión

Si consideramos la siguiente imagen,, las condiciones generales de vuelo de una aeronave desde el despegue al aterrizaje. Podemos decir que hay dos movimientos básicos:

Tipo 1: Vuelo sin aceleración
Tipo 2: Vuelo acelerado, o en trayectoria curvilínea:
Son movimientos del tipo 1, o vuelo sin aceleración, los siguientes:

• Vuelo recto y nivelado
• Vuelo de ascenso y descenso estacionarios (uniformes).

Pertenecen a los movimientos del tipo 2 los siguientes:

• Virajes a altitud constante.
• Despegue.
• Aterrizaje.

Fig.4.1 Fases de vuelo típico con movimientos
acelerados y uniformes

Vuelo recto y nivelado

El vuelo recto y nivelado se desarrolla en trayectoria horizontal en relación con la superficie terrestre, a altitud constante.

El vuelo horizontal exige que la sustentación L (Lift) sea igual que al peso de la aeronave W (Weight). Además, si la velocidad es constante resulta que el empuje del motor, que denominamos T (Throttle), es igual a la resistencia aerodinámica D (Draft).

De forma matemática, la condición de sustentación es:

Si consideramos la densidad del aire (\rho) y la superficie alar S son constantes, resulta que el vuelo recto y nivelado exige la disminución del coeficiente de sustentación a medida que la velocidad V aumenta.

Fig.4.2 Fuerzas en un vuelo recto y nivelado

El avión asciende siempre y cuando el coeficiente de sustentación no disminuye. La disminución de la sustentación se obtiene volando con menor ángulo de ataque del ala para operar con un coeficiente de sustentación más pequeño.

También podemos deducir lo contrario, es decir, que si se disminuye la velocidad, es necesario aumentar el coeficiente de sustentación para mantener el vuelo recto y nivelado. La velocidad mínima corresponde a la velocidad de pérdida que se corresponde con el coeficiente de sustentación máximo. Por debajo de ésta velocidad no es posible contrarrestar el propio peso del avión y por lo tanto desvende a acción de la gravedad.

La velocidad máxima en vuelo recto y nivelado se obtiene cuando el empuje T, se invierte (a valor máximo) en acelerar el avión en su trayectoria horizontal. Para aumentar más la velocidad tendríamos que ayudarnos de la propia gravedad.

Ascenso y descenso

Hay dos tipos de ascenso:

1) El ascenso no acelerado, en trayectoria rectilínea (común en la aviación comercial y general)

2) Este segundo tipo es propio de los aviones de combate, done se intercambia continuamente energía cinética y de posición, velocidad por altura.

Fuerzas elementales

Para ascenso y descenso:

Para ascenso:

Para descenso:

En estas ecuaciones T  es el empuje del motor, W el peso del avión, L la sustentación y D la resistencia aerodinámica.

La idea común de que el ascenso del avión se produce por exceso de sustentación es incorrectas. El ascenso del avión se debe a la contribución de la parte de empuje que colabora en la fuerza vertical hacia arriba.

Fig.4.3 Ascenso y descenso

En el vuelo vertical, perpendicular a la superficie de la tierra; la sustentación es nula. No quiere decir que no exista, sino que produce una fuerza en dirección perpendicular al peso del avión, de modo que en este caso L es paralela a la superficie terrestre:

Fig.4.4 Vuelo vertical

El peso de la aeronave en vuelo vertical es equilibrado en su totalidad por el empuje del motor. Cuanto mayor es el ángulo de ascenso, mayor empuje tiene el motor en el vuelo de subida del avión, hasta llegar a un caso extremo. El empuje del motor contrarresta el peso del avión más la resistencia aerodinámica. Por tanto la relación T/W es mayor que el vector vertical.

El mejor ángulo de ascenso permite alcanzar la máxima altitud en una cierta distancia horizontal sobre el terreno. 

El mejor régimen de ascenso (RA) representa la máxima velocidad vertical del avión.

Planeo

El planeo es el vuelo sin propulsión. Se establece por dos causas fundamentales:

1) Avería y parada de motor

2) Agotamiento de combustible

También existen aparatos de planeo sin propulsión (veleros).

Una aeronave, al estar en planeo, deducimos pues que ésta tiene T=0

Y dividendo por otra:

Virages

Aunque un avión comercial está la mayor parte en fase de vuelo con rumbo constante, en muchas ocasiones tiene que cambiar de rumbo y virar, inclinar las alas a un lado u otro y cambiar su trayectoria a un nuevo rumbo.

En los aviones de combate le cambio de rumbo es muy frecuente, diremos pues que los virajes forman una parte esencial de su vuelo.

Supongamos que el peso es constante durante la trayectoria a lo largo de la maniobra, y también con altitud de vuelo constante, obtenemos la siguiente gráfica:

Fig.4.5 Viraje a altitud constante

La componente horizontal de la sustentación es la fuerza centrípeta F_{c}, necesaria para curvar la trayectoria del avión. Esta fuerza está en equilibrio con la centrífuga en un viraje coordinado, por lo tanto, un viraje sin deslizamiento al exterior o rebajamiento hacia el interior del mismo.

La componente vertical de la sustentación debe ser igual al peso. En realidad el vector sustentación está inclinado el ángulo  , el mismo de inclinación del avión que es necesario para realizar el cambio de rumbo.
La componente L debe equilibrar el peso del avión, y L debe aumentar a medida que aumenta .

En la práctica el piloto aumenta el ángulo de ataque en el viraje para incrementar la sustentación (L).

Factor carga

Se denomina factor carga (n) la carga que actúa sobre la estructura (y pasajeros) del avión expresada como múltiplo de la aceleración de la gravedad (g=9,81 m/s^{2}).

De forma matemática la carga se define así: n=L/W, siendo L la sustentación y W el peso.

Decimos que un avión alcanza un factor de carga 2g cuando su estructura se somete a una carga dos veces superior a la aceleración de la gravedad; dos veces el peso de el sistema.

Si las fuerzas aerodinámicas actúan hacia arriba, el factor carga es positivo en relación con la altitud normal de vuelo del avión. Es negativo en caso contrario.

La condición n=1 sólo es posible cuando la sustentación es igual al peso del avión.

Observamos que un viraje con un cierto ángulo introduce el factor de carga definido en la ecuación anterior.

De hecho el factor de carga y el ángulo están relacionados así:

El vuelo será rectilíneo cuando el factor de carga sea 1, el coseno del ángulo sea 1 y el ángulo sea 0º. Esto significa que no puede existir un viraje coordinado sin un cierto ángulo de inclinación.

Si el ángulo es de 90º, el factor de carga es infinito, lo que significa que no puede existir un viraje de 90º con mantenimiento de altitud.