jueves, 9 de abril de 2015

¿Qué es el coffin corner?

File:CoffinCornerU2.pngA veces se le llama también "Q corner". Es un término anglosajón que se emplea para designar el punto en el que el avión se encuentra al límite de su capacidad de poder sostener el vuelo. A veces se le llama el "peak performance", porque el avión no puede ir más allá de una determinada altura, alabeo, número de G's o número de Mach.

En realidad se trata de la altura en la que la velocidad de pérdida del avión iguala su Mach crítico a un determinado peso y fuerza G. No se puede ir mas allá del Mach crítico sin causar la separación del flujo sobre el ala o crear ondas de choque y no se puede ir más despacio de la velocidad de pérdida, pues el avión se desploma. De cualquiera de las dos formas se pierde sustentación y altitud, casi siempre de forma incontrolada. Si se sobrepasa el Mach crítico se produce lo que se conoce como "Mach tuck" o "Tuck under", que no es otra cosa que la entrada en una actitud de morro bajo ganando velocidad y perdiendo altura de forma incontrolable. Esto ocurre porque el centro de presiones sobre el ala se desplaza hacía atrás al ganar velocidades en torno al MACH 1, mientras que el centro de gravedad permanece en el mismo sitio. En la imagen siguiente se puede ver un Learjet 45 a velocidad normal y a alta velocidad. La diferencia está en la posición del centro de presiones (sustentación) creada por el ala. Cuanto más rápido se vuela más atrás se encuentra. La diferencia entre el par de fuerzas CG/CL crea la tendencia (momento) de morro abajo, que debe de ser compensada con los elevadores.




En caso de que la velocidad del avión sobrepase los límites para los que está diseñado, los elevadores no podrán seguir compensando la tendencia de morro abajo porque se encuentran en los límites de su efectividad y el avión se precipita en un picado, que a su vez lo único que hace es aumentar más la velocidad empeorando la situación.



En el caso del Laerjet, que ya de por si es un avión muy rápido, esta situación crítica podría tratar de compensarse con la bajada del tren de aterrizaje. Esto por supuesto dañará el tren, pero podría ayudar a cambiar la posición del centro de gravedad y eventualmente se podría intentar la recuperación si la velocidad no ha rebasado por mucho los límites del avión. En la ilustración inferior se muestra la creación de la onda de choque según aumenta la velocidad y se puede ver la separación de la capa. En los aviones con ala en flecha esta tendencia es más pronunciada que en los aviones de ala recta. Dentro del ala, es en la raíz (junto al fuselaje) donde se empieza a nota más este efecto, ya que este es el punto de máximo espesor dentro de  las alas convencionales.



El Mach crítico es el número de Mach de una aeronave para el cual la velocidad del aire local máxima alcanza la velocidad del sonido. Esto equivale a que en dicho punto (el punto de máxima velocidad local del aire) se alcanza un Mach igual a 1. La velocidad del aire se mide respecto de la aeronave, no respecto de tierra. El número de Mach crítico de cualquier aeronave comercial moderna es siempre inferior a 1, ya que en el fluido que le rodea siempre hay puntos en los que la velocidad local es mayor que la velocidad de vuelo. El número de Mach crítico es el punto de partida del régimen transónico. Debido al aumento considerable de la resistencia aerodinámica que los perfiles sufren cuando vuelan en torno a la velocidad del sonido, el Mach crítico es una primera aproximación a la velocidad máxima de vuelo de cualquier aeronave que haya sido diseñada para volar por debajo de la velocidad del sonido.

¿Por qué no le ocurría el "Mach Tuck" al Concorde?

Este problema fue solucionado muy inteligentemente por los ingenieros que recurrieron a bombas de combustible para transferir el queroseno hacías atrás a medida que se incrementaba la velocidad. de esta manera el centro de gravedad se movía en la misma dirección del centro de presiones.




El término "corner" se refiere a la forma en pico  en la parte superior del diagrama donde se juntan las dos lineas formando una esquina. El lugar donde la pérdida y el Mach crítico se juntan. Por debajo de estas velocidades "ya nada se sostiene" y por encima de estas velocidades ocurre el "Mack Tuck". La entrada en esta región puede ocurrir cuando se vuela muy alto. Antiguamente era posible entrar dentro de esta región del vuelo sin que el piloto lo pudiera advertir y es por ello que se le conoce precisamente como la "esquina del ataúd" o el "rincón del féretro". En la ilustración inferior se puede ver la esquina en el vértice superior cuando el avión se encuentra en las cercanías de su techo máximo. 




Esto ya no es tan corriente hoy en día, ya que los aviones comerciales modernos están equipados con sensores de velocidad, ángulo de ataque, actitud, etc, que calculan perfectamente el rango de velocidades en los que puede ocurrir este fenómeno. En la ilustración inferior se puede ver el PFD de un Airbus, donde se muestra la escala de velocidad (a la izquierda) con las barras roja arriba (Overspeed - sobre velocidad- también conocida como Barber's pole) y la barra ámbar inferior a veces conocida como "Low Speed Awareness tape". En la foto se aprecia que el avión está volando a 34.000 pies. Si el avión asciende entonces la distancia entre las dos indicaciones se reduce más todavía.




Para evitar entrar en esta región donde el aire es muy poco denso y cualquier perturbación o maniobra podría ponernos fuera de los límites de la envolvente de vuelo, se utiliza el piloto automático. El vuelo manual a gran velocidad y gran altitud es muy complicado. El piloto automático es mucho más preciso y sensible que un pilotaje manual. De ahí que todavía haya que darle más merito a lo que hizo Chuck Yeager y que se puede ver en la película "Elegidos para la gloria" con su Lockheed-104




Alcanzar el techo absoluto del avión significa que ya no hay mas potencia disponible (en el vídeo se ve como Yeager intenta accionar los dispositivos para darle más potencia y poder subir más). En la gráfica inferior se puede ver lo que ocurre. La línea azul es la potencia disponible de nuestro motor. La curva magenta es la potencia que necesitamos para poder mantener una velocidad determinada. El área entre las dos curvas es la reserva de potencia. Al ascender se requiere tanta potencia que llega un momento en el que la potencia disponible es tangente a la requerida. En ese momento habremos alcanzado el techo absoluto de la aeronave. Estas curvas varían con el peso de la aeronave, la temperatura, densidad del aire, etc. 



El vuelo más alto que recuerdo fue en el F-18. Alcanzamos unos 63.000 pies de altura a fuerza de motor para luego "dejarnos caer" hasta recuperar la fuerza aerodinámica normal. En este tipo de maniobras (vuelo cuasi-parabólico) existe la posibilidad de que el avión pueda entrar en barrena, como le ocurrió a Yeager con el F-104. La diferencia es que en los cazas modernos el piloto tiene más ayudas. Para evitar la barrena o para salir de ella si ya estamos, el F-18 dispone de un sistema de recuperación (Spin Recovery System) que se puede ver a continuación.


El sistema es muy práctico, pues en las condiciones de barrena, el FCC (Flight Control Computer), hace desaparecer todas las informaciones de las pantallas (incluso del HUD creo recordar) para indicar con una flecha la posición en la que se debe de poner la palanca con el fin de sacar al avión de la barrena.


El bueno de "Chuck" no tenía este sistema... pero tampoco le hacía falta :)

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