Visitar el cielo: La pérdida (primera parte)

Todos sabemos lo que es una pérdida. Somos pilotos y las hemos practicado muchas veces durante el curso. Cortar gas, reducir velocidad manteniendo el avión recto y nivelado hasta que el morro cae, cuando esto sucede empujar la palanca hasta que la velocidad aumenta para luego dar gas y nivelar el avión. Simple. No hay nada misterioso ni peligroso. El problema es que en el curso somos conscientes de lo que está pasando, somos nosotros los que estamos provocando la pérdida, sabemos lo que va a pasar, cuando va a pasar y sabemos también cómo debemos reaccionar. Y lo hacemos correctamente justo cuando hay que hacerlo. Este es un escenario académico con el objetivo de enseñarnos e introducirnos a la pérdida pero la vida real no es tan simple.

En la vida real hay situaciones en que la pérdida aparece por sorpresa y nos pilla desprevenidos. En estas circunstancias nuestra reacción instintiva suele ser completamente equivocada y agrava la situación. Porque la pérdida es más compleja que el simple ejercicio didáctico de provocarla y recuperarla antes de que se desarrolle completamente. ¿Qué pasa si entramos en pérdida cuando estamos virando? ¿Qué pasa si volamos de forma asimétrica? ¿Qué pasa si entra en pérdida un ala antes que la otra? ¿Cómo afecta el peso a la velocidad de pérdida? ¿Cómo afecta la posición del centro de gravedad? ¿Cómo podemos reconocer una pérdida que no hemos provocado nosotros de forma intencionada? ¿Cómo podemos salir de una pérdida lo antes posible? Hay una región situada entre la pérdida y el vuelo normal de la que se habla poco pero en la que se producen la mayoría de accidentes, una región en la que no estamos en pérdida pero estamos cerca de ella. A continuación intentaré responder a estas preguntas y ofrecer una visión global de la pérdida y del vuelo cerca de la pérdida. Cada avión tiene sus propias peculiaridades por lo tanto si hay conflicto entre este trabajo y lo que dice el manual del avión, siempre tendrá prioridad el manual del avión.

Lo primero que vamos a hacer es ver como el ala genera la sustentación necesaria. Y lo haremos prescindiendo del teorema de Bernoulli y de complejas teorías. Vamos a ser más prácticos y nos vamos a centrar en la idea básica. Como pilotos basta con que sepamos que hace el ala, no es necesario que sepamos exactamente como lo hace. Mi intención es usar analogías fáciles de visualizar para que los conceptos se asimilen mejor. Para ello debemos ver el ala como un dispositivo que simplemente sirve para desviar el aire. El ala lo que hace pues es ejercer una fuerza sobre el aire que desvía su trayectoria. Considerando la tercera ley de Newton (la ley de acción-reacción), de la misma forma que el ala afecta a la trayectoria del aire empujándolo hacia abajo, el aire reacciona sobre el ala empujándola hacia arriba. Esa reacción del aire sobre el ala es la sustentación. Simplificando mucho podemos considerar que la sustentación es proporcional a la cantidad de aire que desvía el ala por unidad de tiempo multiplicada por el ángulo de desvío. Se obtiene el mismo resultado si desviamos mucho aire un ángulo pequeño que si desviamos poco aire un ángulo grande. Así, si volamos rápido la cantidad de aire es grande y por tanto basta desviarlo un ángulo pequeño. Pero si volamos lento, la cantidad de aire implicada es poca por lo que hace falta desviarlo un ángulo mayor para conseguir la misma sustentación. Siguiendo con esta analogía, podemos imaginar el ala como una simple tabla plana cuyo ángulo de inclinación respecto al viento relativo puede ser controlado a voluntad por el piloto. Evidentemente una tabla plana no es muy eficiente, por eso los ingenieros le dan formas más aerodinámicas y eficaces denominadas perfiles aerodinámicos. Aunque detrás de algunos perfiles tremendamente eficaces hay mucho ingenio e inteligencia, la idea básica de toda ala por muy sofisticada que sea es desviar el aire hacia abajo para que este la empuje hacia arriba. La forma del perfil aerodinámico hace que el ala desvíe el aire succionándolo por su parte superior y empujándolo por su parte inferior. De estos dos efectos el más importante es la succión de la parte superior.

Como podemos ver en las imágenes, si la tabla se alinea al viento relativo, la sustentación es nula pero si el ángulo aumenta comienza a generar sustentación y resistencia. Sin embargo, la capacidad del ala para desviar el aire no es ilimitada ya que el aire no puede cambiar bruscamente de dirección. Imaginemos que las moléculas de aire son atletas corriendo a toda velocidad por una pista. Mientras se muevan en línea recta o describan curvas suaves no hay ningún problema pero si les obligamos a girar bruscamente para doblar una esquina la cosa es diferente. Debido a la inercia o se pasan de largo saliéndose de su carril y reducen la velocidad para girar o se caen y ruedan por el suelo. Por encima de un cierto ángulo crítico el aire comienza a separarse del ala en la parte superior (algunos atletas se pasan de largo) produciendo remolinos y turbulencias que hacen disminuir la sustentación y aumentar la resistencia (otros atletas se caen y ruedan por el suelo haciendo que los que vienen detrás tropiecen y caigan también). El ala entra en pérdida. Normalmente la separación del aire comienza en el borde de fuga y se extiende hacia el borde de ataque.

Ciertamente el ala sigue causando un gran efecto en el aire, hay muchas turbulencias y remolinos que generan gran resistencia pero muy poco aire es desviado por lo que la sustentación disminuye y si el ángulo sigue aumentando desaparece totalmente. El ángulo crítico depende sobre todo del perfil aerodinámico del ala pero lo habitual es que se mueva entre 15-20º. Podemos experimentar todo esto sacando la mano por la ventanilla con el coche en marcha. Si la ponemos alineada con el viento relativo no pasa nada pero si la inclinamos empezamos a sentir la sustentación y la resistencia. Y si la inclinamos más llegará un punto en que solo notaremos la resistencia que nos lleva el brazo hacia atrás. Simplemente sacando la mano por la ventanilla del coche ya nos damos cuenta de que las fuerzas que experimentamos dependen del ángulo con el que la mano encuentra al viento. En efecto, ese ángulo es la cifra más importante de todas, es el ángulo de ataque. Se define como el ángulo formado entre la cuerda del ala y el viento relativo.

En el siguiente gráfico podemos ver la nomenclatura utilizada para referirse a las distintas partes del perfil. Cada una de ellas afecta de alguna manera a la generación de sustentación.

La única fórmula que vamos a ver es la de la sustentación que genera el ala.

L = 1/2 𝞺 V² S CL

Donde L es la sustentación, ρ es la densidad del aire, V es la velocidad, S es la superficie alar y CL es el coeficiente de sustentación del ala, un coeficiente adimensional que depende del perfil aerodinámico y que varía con el ángulo de ataque. Los ingenieros han desarrollado gráficas que muestran la relación entre el coeficiente y el ángulo de ataque para cada perfil. Son muy útiles para cuantificar su eficacia y para hacer una primera estimación del comportamiento en pérdida del avión. A continuación vemos un ejemplo típico.

Un vistazo a esta gráfica general nos permite sacar algunas conclusiones. Vemos que el CL aumenta cuando el ángulo de ataque aumenta hasta llegar al ángulo crítico donde alcanza su valor máximo. El incremento del CL es lineal hasta un poco antes del ángulo crítico. Cuando entramos en pérdida al alcanzar el ángulo crítico el ala ha alcanzado el CL máximo, ya no puede aumentar más y si seguimos incrementando el ángulo de ataque el CL disminuye. Para lograr que el avión tenga un buen comportamiento durante la pérdida interesa que el CL no disminuya bruscamente después del ángulo crítico, es decir, interesa escoger un perfil en que la curva no sea muy vertical por su extremo derecho. Así la disminución de la sustentación será progresiva.

El CL es positivo incluso con un ángulo de ataque de 0º. Esto es cierto para los perfiles con curvatura distinta de cero (perfiles no simétricos).

Vemos en la fórmula que la sustentación es proporcional a la densidad del aire, a la velocidad, a la superficie del ala y al coeficiente de sustentación. Si alguno de estos parámetros aumenta, también lo hace la sustentación. Si disminuye también lo hace la sustentación. De estos 4 parámetros, el piloto solo pude controlar uno de ellos. Evidentemente no podemos controlar la densidad del aire y la superficie, salvo en algunos tipos de flaps es un parámetro fijo que no se puede modificar. Sólo quedan la velocidad y el CL. La verdad más importante del vuelo, la que debemos grabar de forma indeleble en el cerebro es que:

Cuando el piloto mueve la palanca hacia delante o hacia atrás lo que hace es modificar el ángulo de ataque del ala. Cuando tira de la palanca aumenta el ángulo de ataque y cuando la empuja disminuye el ángulo de ataque.

El piloto modifica el ángulo de ataque y esto modifica el CL. Además también modifica la resistencia y esta variación de la resistencia modifica la velocidad. Si el ángulo aumenta la resistencia aumenta y la velocidad disminuye, si el ángulo disminuye la resistencia disminuye y la velocidad aumenta. Es decir, de manera indirecta el piloto controla la velocidad con la palanca. Cuando el ángulo de ataque es grande la velocidad es pequeña y viceversa. Por supuesto si el piloto tira lo suficiente de la palanca para llegar al ángulo crítico el avión entra en pérdida y lo hará independientemente de la velocidad a la que esté volando.

Supongamos que nuestro avión pesa 450 Kg y que volamos al nivel del mar a 160 Km/H en un día con atmósfera standard, la superficie del ala es de 12 m². En esas condiciones la densidad del aire es de 1,225 Kg/m³. Despejando CL e introduciendo los datos en las unidades correspondientes vemos que el CL al que trabaja nuestra ala es de 0,30. Pero si en vez de volar a 160 Km/h lo hacemos a 80, el CL es 1,21. Es decir, volamos con un ángulo de ataque mayor. Si la velocidad de pérdida es de 65 Km/h el CL máximo del ala es 1,84.

Las gráficas del CL respecto al ángulo de ataque que hemos visto nos dan mucha información pero al mismo tiempo nos pueden confundir ya que representan solamente un perfil aerodinámico, un corte en sección del ala. Muestran lo que pasa en un trocito bidimensional infinitamente estrecho de un ala tridimensional, no lo que pasa en la totalidad del ala. Viéndolas llegamos a la conclusión de que cuando se alcanza el ángulo crítico se entra en pérdida y ya está, toda el ala entra en pérdida al mismo tiempo. Pero esto no es así. Salvo excepciones, la pérdida empieza en una zona del ala y se va extendiendo al resto.

En un ala real, debido a la diferencia de presiones entre la parte superior e inferior se generan torbellinos en los extremos. Allí el aire de la parte inferior que tiene más presión trata de ir hacia la parte superior que tiene menos presión. En realidad esto sucede en toda el ala pero en la punta es mucho más acusado. Es lo que se conoce como turbulencia de estela.

Además de aumentar la resistencia, también hace que la sustentación no sea constante a lo largo de la envergadura. La sustentación es máxima en la raíz del ala y va disminuyendo hacia los marginales donde llega a ser cero. Si dibujamos un gráfico que represente la sustentación a lo largo de la envergadura obtenemos una curva de forma más o menos elíptica. El área por debajo de esa curva es la sustentación total generada por el ala.

El hecho de que la sustentación varíe a lo largo de la envergadura implica que el coeficiente de sustentación al que trabaja cada uno de los infinitos perfiles que componen el ala es distinto. Cada sección del ala tiene su propio coeficiente de sustentación local. Es decir, la raíz trabaja con un coeficiente, el 30% de la envergadura con otro, el 70% de la envergadura con otro, etc. En el ejemplo anterior calculamos que el CL máximo de nuestro avión era 1,84. Es decir, el ala en su conjunto tiene un coeficiente máximo de 1,84. Pero eso es la media. Esto significa que hay partes del ala cuyo coeficiente local es mayor que 1,84 y partes en que es menor. El ala entra en pérdida en la zona donde el cl local es igual o mayor al CL máximo, en nuestro caso 1,84 y la pérdida se va extendiendo a aquellas zonas en que el cl local sobrepasa al CL máximo a medida que aumenta el ángulo de ataque. Observad que escribo cl en minúsculas para referirme al coeficiente local y CL en mayúsculas para referirme al coeficiente de toda el ala. La variación de los coeficientes locales depende de cómo varíe la cuerda del ala a lo largo de la envergadura, dicho de otra manera, depende de la forma en planta del ala. En el gráfico siguiente podemos ver la evolución del cociente cl/CL (coeficiente local/coeficiente total) a lo largo del ala para distintas plantas. El ala entra en pérdida donde el cociente es mayor o igual que 1. Podemos comparar el ala rectangular y el ala triangular que son casos antagónicos. En el ala rectangular cl/CL es mayor que 1 en la zona de la raíz mientras que en el caso del ala triangular es mayor que 1 en la zona del marginal. El ala rectangular entra en pérdida por la raíz y el ala triangular entra en pérdida por la punta.

Para seguir manteniendo el control del avión durante la pérdida, interesa que comience por la raíz del ala y se desplace hacia el exterior. De esta forma los alerones seguirán siendo efectivos durante más tiempo. Algunas plantas alares tienen un buen comportamiento en pérdida, otras no son tan nobles. Por ejemplo en un ala rectangular o de conicidad moderada el flujo de aire se separa en la raíz. Esto hace que podamos tener buen control de alabeo hasta el último instante. Además el flujo de aire que se separa del ala y que forma remolinos y turbulencias choca contra la parte trasera del fuselaje y con la cola lo que es claramente perceptible por el piloto como un bataneo del avión que le pone en guardia de la entrada en pérdida. Pero en un ala triangular o de alta conicidad la pérdida empieza en la punta por lo que se pierde el control de alabeo inmediatamente y como el flujo de aire turbulento que se separa del ala no choca con el fuselaje o la cola, el piloto no recibe aviso alguno de la entrada en pérdida. Las alas elípticas en teoría son las que producen la mínima resistencia inducida posible y son las únicas que mantienen un coeficiente de sustentación constante a lo largo del ala. La entrada en pérdida se produce de forma simultánea en toda el ala y el mando de alabeo desaparece al entrar en pérdida pero igual que las alas rectangulares también producen bataneo del avión lo que avisa al piloto de la situación.

No obstante, hay algunos trucos que permiten forzar que el ala entre en pérdida por donde conviene para que el comportamiento del avión sea bueno.

Se puede dar torsión al ala, es decir se puede construir el ala ligeramente retorcida de forma que el ángulo en las puntas sea menor que el ángulo en la raíz. Un valor típico de torsión es de unos 3º. Cuando la raíz tenga el ángulo de ataque crítico y entre en pérdida, a las puntas aún les faltan 3º.

Se puede ver claramente como el ángulo de la raíz es mayor que el del marginal

Se puede usar un perfil en la punta distinto del perfil de la raíz de forma que el ángulo crítico del perfil de la punta sea mayor que el del perfil de la raíz. Así siempre entrará en pérdida primero la raíz.

Se pueden usar bandas de pérdida. Esto es una pieza con sección triangular colocada en el borde de ataque de cada semiala durante un tramo de la envergadura para forzar que el ala entre en pérdida justo en esa zona. A altos ángulos de ataque la banda de pérdida interfiere el flujo de aire y lo fuerza a separarse justo por detrás. El Tecnam P2002 Sierra de ala cónica utiliza bandas de pérdida.

Se pueden usar ranuras en el borde de ataque por delante de los alerones. Por lo general las ranuras de borde de ataque tienden a retrasar la separación del aire por detrás y como beneficio añadido pueden mejorar la efectividad de los alerones. La idea es forzar aire desde la parte inferior del ala a la superior a través de la ranura para ayudar a retrasar la separación del aire. Sin embargo las ranuras son difíciles de construir e incrementan ligeramente la resistencia, por ello no son muy comunes.