El ángulo de ataque y la pérdida

En aerodinámica, el ángulo de ataque (AOA, o alpha (letra griega alfa)) es el ángulo entre la línea  de la cuerda de un perfil aerodinámico y el vector que representa el movimiento relativo dicho perfil y el aire (en sentido contrario) a través del cual se está moviendo. El ángulo de ataque especifica el ángulo entre la línea de la cuerda del ala de un avión de ala fija y el vector que representa el movimiento relativo entre la aeronave y la atmósfera, tal como se puede ver en en el diagrama.

Curva de coeficiente de sustentación típica.

Por razones de diseño y con el fin de evitar una entrada en pérdida en la punta de plano, el ala de un avión puede tener giro desde la raíz a la punta de plano, es decir, está retorcida. En estos casos la línea de la cuerda de toda el ala no puede ser definida y se suele tomar la línea de referencia alternativa, que usualmente es la cuerda de la raíz del ala.

Relación entre el ángulo de ataque y sustentación

Tal como se puede ver en el diagrama, el coeficiente de sustentación de un avión de ala fija varía con el ángulo de ataque. El aumento de ángulo de ataque se asocia con el aumento de coeficiente de sustentación hasta alcanzar el coeficiente de sustentación máximo, después de lo cual disminuye. Cuando se sobrepasa el punto máximo decimos que estamos en la región de la pérdida. Es por ello que a veces se suele escuchar eso de que "Un avión siempre entra en pérdida a un determinado ángulo de ataque". A medida que el ángulo de ataque de un avión de ala fija aumenta, la separación del flujo de aire de la superficie superior del ala (extradós) se hace más pronunciada, lo que lleva a una reducción en la tasa de aumento del coeficiente de sustentación. La figura muestra una curva típica para un ala recta curvada. Un ala simétrica no tiene ninguna sustentación a 0 grados de ángulo de ataque. La curva de sustentación también se ve influida por la forma de la planta alar. Un ala en flecha tiene una curva más plana y más baja que la aquí representada siendo.

Flujo de aire turbulento en el extradós debido al alto ángulo de ataque

El ángulo de ataque crítico es el ángulo de ataque que produce el máximo coeficiente de sustentación. Esto también se le llama también el "ángulo de ataque de la pérdida". Por encima del ángulo de ataque crítico, el aire empieza a fluir de forma menos suave sobre la superficie superior de la superficie de sustentación y empieza a separarse. Esto causa un rápido descenso de coeficiente de sustentación y se entra en la región de la pérdida, donde el avión "se viene a bajo" (ya nada se sustenta). 

El dudoso honor de haber sido el primer fallecido por una entrada en pérdida lo ostenta Otto Lilienthal, quien murió en 1896 al partirse el cuello después de haber entrado en pérdida con su planeador y caer desde una altura de unos 15 metros. Wilbur Wright también experimentó la pérdida por primera vez en 1901, mientras volaba su segundo planeador. Al tomar conciencia del peligro y con los antecedentes del accidente de Lilienthal y la experiencia de Wilbur, los hermanos Wright decidieron diseñar su avión con una configuración "canard". Esto hizo que las recuperaciones de las pérdidas fueran más sencillas y más suaves. El diseño salvó las vidas de los hermanos más de una vez. Por su parte el ingeniero aeronáutico Juan de la Cierva cuando trabajó en su proyecto para desarrollar una aeronave de ala rotativa en realidad lo que pretendía era evitar el problema de la pérdida y crear una aeronave más segura que las de ala fija. En el desarrollo de esta aeronave a la que llamó "autogiro" resolvió muchos problemas de ingeniería e hizo posible la invención del helicóptero

Otto Lilienthal

Otto experimentó con planeadores que evolucionaban de acuerdo a los movimientos del cuerpo del piloto y que hacía volar lanzándose desde una colina campestre que él construyó cerca de Berlín

La velocidad de entrada en pérdida no es tan relevante como el ángulo de ataque, ya que la velocidad a la que un avión entra en pérdida varía con el peso del avión, el factor de carga (número de G's), el centro de gravedad de la aeronave y la densidad del aire. De todo esto se deduce que es esencial tener una indicación del ángulo de ataque en el que se encuentra el avión. Algunos aviones están equipados con un ordenador de vuelo incorporado que evita automáticamente que la aeronave aumente el ángulo de ataque más allá de unos ciertos parámetros preestablecidos. Incluso si el piloto quiere ir más allá de estos límites el ordenador de abordo lo tratará de impedir. Estos sistemas se conocen como "limitadores del ángulo de ataque" o "limitador alfa" y son muy comunes en los modernos aviones comerciales que cuentan con la tecnología fly-by-wire.  Los ordenadores evitan el ángulo de ataque crítico por medio de software que controla las superficies de control de vuelo. Para poder hacer esto, los ordenadores necesitan una señal que debe de provenir a la fuerza de un sensor. Los sensores del ángulo de ataque suelen ser parecidos al que se muestra a continuación.

Se trata de una aleta que va montada en el fuselaje del avión en la corriente libre de aire.

La aleta se mueve libremente en la corriente de aire al igual que una veleta, cualquier cambio de la corriente de aire hace que la aleta se mueva y este movimiento es recogido por un sensor de tipo eléctrico que envía la señal a los ordenadores de abordo, tal como se muestra en el dibujo.

Existen otros tipos de sensores diferentes, como el que se muestra debajo. En este tipo de sensores se cambia la aleta por un cono con unas ranuras. La corriente de aire impacta en las ranuras y hace que el cono gire en consonancia.   

La forma más moderna de medir el ángulo de ataque no utiliza partes móviles. En la familia E-Jet, por ejemplo, se pueden apreciar un par de agujeros en el tubo pitot (en la parte superior e interior) para la medición de la presión estática del aire.

Si el aire impacta en el tubo con un cierto ángulo (tal como se muestra en la imagen), El agujero de presión estática inferior recogerá parte del aire de impacto o presión dinámica, mientras que el superior recogerá una presión estática inferior a la normal. La media de las presiones nos dará la presión estática promedio que es la que se usa para calcular la altura, pero la diferencia de presiones estáticas nos dará una idea del ángulo de ataque local (Delta St). Los cálculos se llevan acabo dentro de un pequeño ordenador que se suele llamar ADC (Air Data Computer). Con esta información el ordenador principal gestiona la cantidad de angulo de ataque máximo que puede ofrecer al piloto cuando este tira hacia atrás de los mandos de vuelo. 

Hablando en términos generales, se puede decir que existen dos filosofías en cuanto al nivel de autoridad que se le concede al piloto a la hora de volar un moderno avión comercial. En la filosofía de Airbus, el piloto tiene una protección total impidiendo los ordenadores de abordo que el piloto salga de la envolvente segura de vuelo. muchas veces se ha dado en llamar este sistema "limiting", ya que por mucho que se le requiera al avión este no va a exceder los límites (en condiciones normales). En la filosofía de Boeing no suele ocurrir lo mismo. Estos sistemas norteamericanos dan más control al piloto y los ordenadores de abordo se dedican a incrementar o mejorar la señal que les llega a los mandos de vuelo para que esta sea la mejor posible. Es lo que se suele denominar como "Enhancing". De esta forma si un piloto realiza una maniobra muy violenta, los ordenadores de abordo tratarán de corregir la señal, pero cabe la posibilidad de que esta corrección no sea la suficiente (debido a la violencia de la maniobra), con lo cual se podrían exceder los límites de la envolvente segura de vuelo. En ciertos aviones ademas de las protecciones normales de la envolvente de vuelo existen otros sistemas que cuando detectan la aproximación a la pérdida, fuerzan al avión a cabecear hacia abajo para intentar ganar velocidad y reducir el ángulo de ataque, para poder salir de la situación de pérdida. Estos sistemas son conocidos como "pusher".

Cuando se vuela en aviones modernos con ala en flecha y perfil supercrítico, es muy difícil apreciar la entrada en pérdida, precisamente por las condiciones aerodinámicas de la propia ala. Para poder tener la seguridad de que no vamos a volar un avión comercial en la región de la pérdida, la legislación aeronáutica requiere a los fabricantes que cumplan con lo dispuesto en la "CS-25" (Especificaciones de certificación de aeronavegabilidad para las grandes aeronaves). En esta especificación se requiere que el fabricante instale alguno de los dispositivos anteriormente citados y además de esto debe de hacer ver al piloto de forma clara y precisa que está entrando en la zona de pérdida. La Ley exige que estas señales se muestren al piloto un 5% antes de estar en la pérdida real. 

Algunos fabricantes han instalado en los mandos de vuelo que manejan los pilotos, unos servo-motores que vibran y hacen un ruido muy característico. Este sistema se llama "stick shaker", cuando esto ocurre normalmente se desconecta el piloto automático si es que este estaba conectado y el piloto debe de actuar sin pérdida de tiempo para sacar a la aeronave de esa situación. En otros aviones este sistema no existe, pero la señal de entrada en perdida se debe de hacer igualmente clara por cualquier otro medio y con la antelación antes citada. El entrenamiento de los pilotos no siempre es el más adecuado en este tipo de situaciones ya que casi nunca  llegan a darse en la vida real, pero si llegan a darse por alguna combinación de factores, entonces pueden llegar ocurrir tragedias como la de Air France. 

Entradas sobre la pérdida:

http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/cuando-ya-nada-se-sostiene-la-perdida.html

http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/clarificando-la-perdida-de-sustentacion.html
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/03/los-sensores-de-los-aviones-como-el.html
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/03/los-sensores-del-avion-ii-los-adirus-y.html
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/formula-1-y-fuerza-de-sustentacion.html
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/numero-mach-y-leccion-magistral.html
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/mas-sobre-aerodinamica-del-reactor-con.html
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/01/el-ala-y-su-nomenclatura.html
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/01/introduccion-las-actuaciones-del-avion.html