Planeando

En julio de 1984, en Ontario, Canada, un Boeing 767 se quedó sin combustible en pleno vuelo. La causa fue un error en las unidades de medida al cambiar del sistema inglés al métrico. El avión no llevaba combustible suficiente para completar el vuelo desde Montreal a Edmonton. El piloto Robert Pearson de Air Canada se conviertió en un piloto de "planeador gordo" al tener que descender con su 767 hasta un campo de aviación abandonado a muchas millas de distancia de su ruta inicial. Más recientemente, el 24 de agosto de 2001, el vuelo 236 de Air Transat, entre Toronto (Canadá) y Lisboa (Portugal), se quedó sin combustible mientras volaba sobre el Océano Atlántico debido a una fuga en el motor derecho. El avión tuvo que planear hasta el aeropuerto más cercano, desviando su rumbo que originalmente era hacia Lisboa, teniendo que realizar un aterrizaje de emergencia en la Base Aérea militar de Lajes en las Islas Azores. Es uno de los planeos más prolongados efectuados por un jet comercial.

Una de las cosas que se entrenan en cualquier compañía aérea es la contingencia de tener que planear con el avión por pérdida de todos los motores. Mucha gente que vuela a diario como pasajero tiene miedo a que se paren los motores, pues tiene la idea (totalmente errónea) de que el avión caerá como una piedra al suelo. Nada más lejos de la realidad. De hecho un avión comercial planea bastante bien sin motores y puede alcanzar una distancia considerable. La pérdida de un motor en un birreactor solo supone una pérdida de prestaciones, pero hoy en día todos los aviones reactores con dos motores están preparados para volar sin problemas con uno solo. 

¿Qué ocurre si perdemos los dos? En primer lugar el piloto debe de maximizar el tiempo que pueda estar en el aire. Esto puede ayudar a llegar hasta un aeropuerto donde se aterrice en emergencia. Estar más tiempo en el aire también representa más tiempo para tratar de solventar el problema e intentar arrancar al menos un motor. Estar más tiempo volando significa poder tener la oportunidad de comunicar con control de trafico u otros aviones, declarar la emergencia y preparar la llegada con las ayudas necesarias. Para poder estar el máximo tiempo en el aire (endurance en inglés), el objetivo debe ser intentar minimizar la pérdida de altitud.

Existen 3 fuerzas principales que actúan sobre los aviones y pájaros u otros animales cuando planean:

• peso - la gravedad actúa en la dirección hacia abajo 
• sustentación - actúa perpendicularmente al vector que representa la velocidad aérea 
• resistencia - actúa paralela al vector que representa la velocidad del aire. 

Según la aeronave o animal desciende, el aire en movimiento sobre las alas genera sustentación. La fuerza de sustentación actúa ligeramente hacia delante de la vertical porque se crea en ángulo recto con el flujo de aire que viene de ligeramente por debajo porque el planeador desciende, Esta componente horizontal de la sustentación es suficiente para superar la fricción y permite que el planeador pueda acelerar hacia adelante. A pesar de que el peso hace que la aeronave descienda, si el aire aumentara más rápidamente que la tasa de caída, habrá incluso una ganancia de altitud.

La altura es una fuente de energía en potencia, tal como se discutió en este post y esta potencia puede ser usada para mantener el avión volando. El máximo tiempo en el aire (endurance) se obtendrá a una velocidad específica donde se requiera la mínima energía posible (mínima resistencia al avance). Ver gráfico.

Existen dos tipos de resistencia al avance. La resistencia parásita es la fricción del avión con todas sus antenas y protuberancias. Esta resistencia aumenta con la velocidad. La resistencia inducida es la producida por la propia sustentación creada. Esta resistencia disminuye con la velocidad. La resultante de la suma de ambas nos da una curva muy importante en aviación que se usa para muchas cosas. Existe una velocidad de minima resistencia (el punto más bajo de la curva) VMD donde el consumo de combustible es mínimo (max endurance), pero a veces es necesario obtener el máximo alcance. En un avión comercial moderno el máximo alcance es un 32% más alta (VMR JET). Esta velocidad se obtiene cuando la recta tangente con origen 0,0 toca la curva de resistencia total. Con un pequeño incremento de la resistencia (...y por tanto del combustible) se podría obtener un mayor alcance. Esto es lo que se denomina la velocidad LRC (Long Range Cruise), o velocidad más económica, donde las compañías aéreas obtienen más beneficios. 

A esta velocidad (Vmin drag o VMD), el grado de descenso es el mínimo. Por otra parte esto también representa una velocidad tan baja que no se podrá avanzar mucha distancia con respecto a la tierra según vamos descendiendo. ¿Qué habría que hacer si lo que queremos es llegar más lejos y no nos importa tanto el tiempo en el aire? Para alcanzar la máxima distancia y poder llegar a un mejor aeropuerto por ejemplo, con la pista más larga, lo que hay que hacer es optimizar la cantidad de planeo o cantidad de distancia que avanzamos por unidad de altura que perdemos. Esto es lo que se llama en inglés el "glide ratio". Un avión comercial actual puede planear unos 160 km si se quedara sin motores en su nivel de vuelo de crucero típico. La velocidad de planeo para la obtención de la distancia más larga (range) es normalmente un 30% más rápida que la velocidad de máximo tiempo en el aire (endurance).

Una cosa que siempre hay que aclarar en nuestras clases es que el alcance máximo de planeo no varía con el peso siempre y cuando el aeroplano se volado con el ángulo de ataque y la velocidad adecuados (óptimos) para ese peso. Esto es así porque la distancia de planeo es proporcional a la relación entre sustentación y resistencia (L/D o Lift to Drag), la cual no varía con el peso. Por ello si un avión pesado se vuela correctamente, con los parámetros de velocidad y ángulo de ataque, podría alcanzar la misma distancia que un avión más ligero. Por otro lado, hay que tener en cuenta que el avión más pesado debe de volar más rápido (para mantener la relación L/D igual) que uno ligero, con lo que aunque la distancia cubierta sería la misma, esta se recorrería en menos tiempo.

tasa de planeo: cuando un planeador vuela a una velocidad constante en el aire en calma, este se mueve hacia delante una cierta distancia por cada unidad de altura que se pierde. La relación de la distancia horizontal que se avanza, con respecto a la distancia vertical se llama el coeficiente de planeo. La tasa de planeo (E) es numéricamente igual a la proporción entre sustentación y resistencia en estas condiciones; pero no es necesariamente igual durante otras maniobras, especialmente si la velocidad no es constante. La tasa de planeo varía con la velocidad, pero hay un valor máximo que se cita con frecuencia. El planeo generalmente varía poco con el peso de la aeronave; una aeronave más pesada planea más rápido, pero mantiene su tasa de planeo. 

Tasa de planeo (o "fineza") es la cotangente del ángulo hacia abajo, el ángulo de planeo (γ). Alternativamente también es la velocidad de avance, dividido por la velocidad de sdescenso (aviones sin motor).

El número de planeo (Glide number) (ε) es el recíproco del coeficiente de planeo pero en algún momento es confuso.

En los aviones comerciales de última generación existen indicaciones para que el piloto no tenga que calcular cual es la velocidad de planeo adecuada. Este es el caso del famoso Green Dot (punto verde) del E-Jet de EMBRAER, del que ya se ha hablado aquí: 

http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/03/el-green-dot.html

http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/03/la-indicacion-de-velocidad-en-el-pfd.html

El punto verde (Green Dot) en los modernos aviones comerciales de dos motores suele emplearse para la técnica "Drift Down", que no es otra cosa que descender a una altitud más baja (más eficiente con) después de haber perdido un motor.

Un planeador de altas características podría tener un L/D de 60:1 (60 unidades de medida a 1, o si se quiere utilizar el metro: un alcance de 60 metros por cada uno que desciende). Juan salvador Gaviota y sus colegas deben de estar por un L/D de 20:1, un Boeing 747 se quedaría en 15:1 (no está mal para una bestia grande de 400.000 kg) y un gorrión estaría en 4:1. En general se puede decir que cuanto más alto es el número obtenido en la relación L/D tanto más aerodinámicamente eficiente es el avión. Desde este punto de vista el régimen de planeo del F-104 es muy pobre. Recuérdese que para la mejor velocidad de planeo (nada menos que 240 nudos), la distancia recorrida desde 30.000 pies son sólo 28 millas náuticas. Post asociado:

http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/12/sobre-el-extraordinario-diseno-del-f_12.html

En la tabla comparativa que se puede ver a continuación se aprecian las diferencias entre los distintos tipos de aeronaves. Si, el Apollo al igual que un ladrillo también planea algo :)

Para calcular el planeo los ingenieros utilizan gráficas con curvas llamadas polares en las que se muestran los parámetros deseados. En la imagen de abajo se puede ver una de estas curvas.

La curva polar muestra cual es el mejor ángulo para obtener el planeo más largo. El ángulo se mide desde el origen de coordenadas hasta el punto tangente a la curva. A este ángulo corresponde una velocidad horizontal y vertical determinada.

A estas curvas se las llama "polares" porque todos los puntos que forman la curva son el resultado de combinar una coordenada de los ejes con un ángulo.

¿Puede planear un cuerpo humano? Claro que puede, (...y ayudado por uno de esos trajes voladores más aún). Como curiosidad decir que aunque no fueran equipados con los "flying suits" han existido supervivientes a caídas sin paracaídas desde aviones. A veces ocurren combinaciones de cosas que hacen que el planeo de un cuerpo humano sea el ángulo justo para impactar con árboles o una pequeña colina que cuenta con la inclinación suficiente o está amortiguada por la nieve. Este fue el famoso caso del artillero de cola de un Lancaster (Nicholas Stephen Alkemade), quién prefirió morir saltando de su avión en llamas antes que morir abrasado durante una operación aérea en la II GM. Su impacto contra unos pinos de un bosque y su posterior caída en un lecho de nieve le salvaron la vida. Cuando los alemanes lo capturaron no le creyeron en principio, pero posteriormente fue acreditado con un certificado de que lo ocurrido fue cierto. No es el único caso, existen bastantes más, tal como se puede leer en este post (en inglés): 

http://www.oddee.com/item_96967.aspx

Post relacionado:
https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2016/01/que-pasaria-si.html