La envolvente de vuelo

La envolvente de vuelo es un gráfico que muestra el factor de carga en G´s respecto a la velocidad. También se conoce como gráfica V-N. Para garantizar la integridad estructural del aparato y, por tanto, la seguridad del vuelo, el piloto debe maniobrar dentro de los límites definidos por la gráfica. De no ser así las consecuencias pueden ser desastrosas.

La envolvente de vuelo es la gráfica que define los esfuerzos que deberá resistir el avión a lo largo de su vida operativa y es el punto de partida de los diseñadores de aviones a la hora de dimensionar la estructura. Recoge tanto los esfuerzos derivados de las maniobras del piloto  como los derivados del vuelo en atmósfera turbulenta con corrientes de aire ascendentes y descendentes.  Sabiendo a qué esfuerzos se tiene que enfrentar el avión, es mucho más fácil diseñar una estructura resistente de ligereza adecuada. Si el diseñador ha hecho su trabajo de forma correcta, es obligación del piloto conocer los límites y mantener la velocidad y el factor de carga entre los mismos.

El aspecto general de la envolvente de vuelo es similar al de la figura aunque hay algunas variaciones en función de la misión del avión; probablemente, el diseñador de un avión acrobático utilizará factores de carga mayores mientras que el diseñador de un velero tendrá en cuenta el efecto de las turbulencias asociadas a la practica del vuelo sin motor. En esta entrada nos centraremos en el tipo de avión que suelen emplear los lectores de este blog con lo que la citada gráfica es suficiente para definir conceptos. La envolvente es única para cada modelo de avión y cada configuración del mismo y sólo tiene en cuenta las cargas derivadas de maniobras en cabeceo, no en alabeo o guiñada.

El diseñador del avión tiene la opción de construir una estructura capaz de soportar factores de carga en los que el piloto puede incluso perder el conocimiento por falta de riego sanguíneo en el cerebro. Este es el caso de algunos aparatos militares pero no es la práctica común en la aviación deportiva. Aquí se suele adoptar una solución de compromiso que garantice la integridad de la estructura así como su ligereza lo que a su vez, influye en la potencia necesaria para el vuelo, la carga útil y en el coste final del aparato. Un avión, a diferencia de un puente o un edificio, no puede tener más peso estructural de lo necesario para garantizar la seguridad. Pero esto exige la colaboración del piloto. La solución de compromiso consiste en definir unos límites al factor de carga que es posible encontrar durante una operación normal del avión. Estos límites no son arbitrarios sino que están basados en  años de estudio que se recogen en  normas de certificación como las FAR 23 de la FAA.

En esta norma se definen los factores de carga límite mínimos, tanto positivos como negativos,  en función del tipo de operación del avión. Las categorías definidas son:

-Normal: +3.8 G y -1.52 G

-Utility: +4.4 G y -1.76 G

-Acrobático: +6 G y -3 G

Estos factores de carga son límites, la estructura no debe sufrir daño ni deformaciones permanentes si no se sobrepasan. Se aplica un margen de seguridad de 1.5 antes de llegar al factor de carga de rotura. Es decir, un avión de categoría Utility no se deformará ni se dañará por debajo de 4.4 G, sufrirá deformaciones permanentes en la estructura entre 4.4 G y 6.6 G (6.6 =4.4 x 1.5) y romperá por encima de 6.6 G  suponiendo que la estructura no tenga defectos constructivos y no haya sufrido los efectos debilitadores de la fatiga.

Puntos importantes de la envolvente

Imaginemos que volamos a velocidad, rumbo y altitud constantes. En estas condiciones, sabemos que las 4 fuerzas que actúan sobre el avión se encuentran en equilibrio. La sustentación generada por las alas es igual a la suma del peso y la fuerza hacia abajo del grupo horizontal de cola, y el empuje del motor-hélice es igual a la resistencia. El avión y el piloto experimentan una aceleración de 1 G, es decir, simplemente soportan su propio peso como hacemos todos cada día incluso cuando no volamos. Esto es válido siempre que se vuele sin cambios en el vector velocidad. Si movemos bruscamente la palanca hacia atrás provocaremos un incremento repentino en el ángulo de ataque del ala. Evidentemente, las alas generaran gran sustentación antes de que el avión se decelere y esto se traduce en la desaparición de la situación de equilibrio, la sustentación es superior al peso y la trayectoria se curva hacia arriba. El piloto y el avión experimentarán los efectos derivados de la trayectoria curva como un incremento del factor de carga (G positivos). Todos sabemos lo que ocurre, el avión acelera hacia arriba mientras el piloto es presionado contra el asiento a consecuencia de la fuerza centrifuga. En el caso de empujar la palanca hacia delante el resultado es el mismo pero con G negativos, el piloto es expulsado hacia fuera del asiento.

Supongamos que volamos en un avión de categoría Normal con un peso de 450 Kg a 120 Km/H. Estamos al nivel del mar y el perfil de las alas tiene un coeficiente de sustentación máximo de 1.6 sin flaps. (Para simplificar no tendremos en cuenta la disminución en el coeficiente debida a la envergadura finita de las alas). La superficie alar es de, digamos 14.5  M². Sabemos que la fórmula de la sustentación es:

L= ½  x ρ x V² x Cl x S 

                                                                                                       

     ρ= Densidad del aire

     Cl= Coeficiente de sustentación

     S= Superficie alar

     V= Velocidad

Si tiramos de la palanca con suficiente brusquedad, el ala alcanzará el ángulo de ataque correspondiente al Coeficiente de sustentación máximo Clmax, habremos forzado al ala a entrar en pérdida a 120 Km/H. Recordemos que un avión entra en pérdida a cualquier velocidad pero sólo a un ángulo de ataque (el correspondiente al Clmax.). La sustentación máxima generada en estas condiciones antes de entrar en pérdida es de 1612.92 Kg lo que corresponde a un factor de carga de 3.58 G.

N(G´s)=L (Sustentación) / W (Peso)

N=1612.92 / 450 = 3.58

Evidentemente, al alcanzar el ala el ángulo de ataque correspondiente al Clmax, (Pérdida) ya no puede generar más sustentación y el factor de carga tampoco aumentará. Si repetimos este cálculo a distintas velocidades obtendremos la siguiente tabla. 

Velocidad V              Peso W                       Sustentación  L          Factor de carga N

 Km/H                         Kg.                              a Clmax  Kg.              N=L/W

64	450	457.69	1.01
80	450	716.62	1.59
100	450	1120.12	2.48
120	450	1612.92	3.58
130	450	1892.75	4.20
150	450	2520.28	5.60
170	450	3237.07	7.19
190	450	4043.46	8.98
200	450	4480.50	9.95

Vemos en ella que a medida que aumenta la velocidad, también lo hace el factor de carga asociado al mismo tirón brusco en la palanca. Por tanto, existe una velocidad en la que se alcanzará el factor de carga límite. Un poco de matemáticas nos muestra que en nuestro avión imaginario, esta velocidad es de 123 Km/H. Es la Va o Velocidad de Maniobra, una velocidad importante que el piloto debe conocer y saber lo que puede y no puede hacer en función de si vuela por encima o por debajo de ella.

Por debajo de la Velocidad de maniobra, el piloto puede mover la palanca en cabeceo  libremente sin provocar daños en la estructura del avión; antes de que esto suceda, las alas entraran en pérdida y el factor de carga disminuirá. Por encima de Va, la pérdida ya no actúa como válvula de seguridad y se puede sobrepasar el límite. Un piloto descuidado o ignorante puede romper un avión en vuelo simplemente  moviendo la palanca de forma inapropiada.

La curva a la izquierda de la envolvente representa la máxima sustentación expresada como factor de carga que las alas pueden generar a una velocidad dada sin entrar en pérdida y se puede calcular a partir de la Velocidad de pérdida Vs mediante la siguiente fórmula:

N(G´s)= (V / Vs)²

La velocidad de maniobra y el factor de carga están relacionados, no se puede incrementar la primera sin incrementar el factor de carga límite para el que se diseña el avión. Si se incrementa el factor de carga límite, automáticamente también aumenta la Velocidad de maniobra. Un aspecto importante a destacar de la Velocidad de maniobra es que para el mismo avión con la misma configuración, Va varia con el peso de forma que si volamos con el avión poco cargado, Va es menor que si volamos con el avión muy cargado. Pero ¿cuanto menos?. De manera bastante aproximada, por cada 2% que descienda el peso respecto al peso máximo del avión, la velocidad de maniobra desciende un 1%. Por ejemplo si Va a 450 Kg (peso máximo) es de 123 Km/h, a 360 Kg (un 20% menos) Va será 110 Km/h (un 10% menos). También podemos utilizar la siguiente fórmula en la que VA1 es la velocidad de maniobra con peso W1 y VA2 la velocidad de maniobra con peso W2. 

VA2 = VA1  x  √ (W2/W1)

Además de Va, hay otros puntos importantes en la envolvente de vuelo. Son los vértices  correspondientes  a  Vs, Vc, Vd y  la Vne  tanto  para  factores de carga positivos como negativos.  

Vs: Es la velocidad de pérdida que aparece en el manual de vuelo del avión para la condición de 1G. Está reflejada en al anemómetro como el límite inferior del arco verde. Normalmente se da con Peso máximo al despegue y una densidad de aire equivalente al nivel del mar. Es importante destacar que Vs sólo es un valor de referencia de la velocidad de pérdida en unas condiciones determinadas. Vs será distinta siempre que cambien estas condiciones (peso, factor de carga, etc).

Vc: Es la máxima velocidad de crucero. También se llama Vno. En esta condición de vuelo, se cuida especialmente el efecto de las ráfagas de aire asociadas a una atmósfera turbulenta. Cuando el avión encuentra una corriente de aire ascendente, el ángulo de ataque se incrementa al entrar en ella aumentando la sustentación y el factor de carga. Este incremento es mayor cuanto mayor es la velocidad ascendente del aire. En el caso de corrientes descendentes, todo es igual pero en sentido contrario, el ángulo de ataque disminuye. Desde el punto de vista del piloto, Vc  es el límite superior del arco verde (o el límite inferior del arco amarillo) en el anemómetro.  El piloto debe  volar por debajo de Vc (dentro del arco verde) con atmósfera turbulenta para evitar que las ráfagas puedan dañar la estructura y dentro del arco amarillo sólo en atmósfera estable. Cuando la máxima Velocidad de crucero es elevada, se suele diseñar la estructura para que  a Vc soporte factores de carga tanto positivos como negativos ligeramente mayores que el factor límite.

Vd: Es la máxima velocidad que el diseñador ha probado en vuelo con el prototipo. No es la máxima velocidad en vuelo horizontal con gas a fondo ni es la Vne. Cuando hablamos de aviones certificados o de kits reconocidos, el prototipo ha volado a Vd en manos de un piloto de pruebas profesional dentro de un programa de vuelos de prueba desarrollado de forma científica y sensata, con numerosas medidas de seguridad. Probablemente, para alcanzar Vd el avión se tuvo que colocar en una actitud de picado bastante pronunciado, por no decir vertical. Desde el punto de vista estructural el factor de carga a soportar a Vd es el factor límite. Es evidente que en esta zona de la envolvente, hay que ser muy cuidadoso en el manejo de la palanca ya que es extraordinariamente fácil pasarse de G´s. El riesgo omnipresente al acercarse a la barrera de la alta velocidad es el flutter, una situación bastante compleja y comprometida en la que las superficies móviles (alerones, timones de profundidad y/o dirección) comienzan a oscilar en un movimiento de amplitud creciente que puede desintegrar la estructura de forma violenta en cuestión de segundos.

Vne: Es la velocidad a no exceder y corresponde a la línea roja del anemómetro. Su significado es claro, nunca exceder esta velocidad. No es posible alcanzar la Vne en vuelo horizontal con gas a fondo, por lo tanto, sólo se puede alcanzar o por despiste o de manera intencionada mientras se desciende. Ambos escenarios son injustificables. Aunque la Vne es algo inferior a Vd (normalmente un 90% de Vd), esto no se debe interpretar como que no hay ningún riesgo en sobrepasarla. Esta diferencia entre Vd y Vne es una medida extra de seguridad contra pilotos descerebrados e inconscientes. Entre otras cosas permite evitar problemas con las tolerancias tanto de diseño como de construcción.

Conclusiones

Cuando aprendimos a volar, vimos que había una velocidad para casi todo, para poner los flaps, para trepar, para planear, etc. Además existen otras velocidades importantes a tener en cuenta por motivos que espero hayan quedado claros. Hemos visto que un piloto puede dañar un avión sin usar un martillo, sólo es preciso volar a una velocidad inadecuada manejando la palanca bruscamente o cuando la atmósfera nos avisa de que corremos mucho. Dicen que las dos únicas cosas que no fallan nunca son Hacienda y la Muerte, yo añadiría las Leyes de la Aerodinámica. Conozcámoslas y aprovechemos este conocimiento para seguir disfrutando de nuestros privilegios como voladores. Cuanto más sepamos acerca de aviones, más capacitados estaremos para volar con seguridad y seguir creciendo. Esta entrada seria útil si uno sólo de los lectores aprendiera que:

-No se debe deflectar bruscamente la palanca por encima de Va.

-No se debe volar por encima de Vc en atmósfera turbulenta.

-No se debe sobrepasar Vne.

Especialmente cuando volamos aviones viejos con un historial de incidentes.

Felices vuelos y tened cuidado ahí arriba.