La envolvente de vuelo

Los aviones están diseñados para volar en unos límites bien definidos de velocidad y altitud. Un piloto nunca debe de sobrepasar estos límites. Los límites operacionales de un avión (velocidades de pérdida, velocidades máximas/número de Mach máximo, número de g's, altitudes certificadas máximas, etc.) se encuentran detallados en el AFM  (Airplane Flight Manual) de cada tipo de avión en particular. ¿Por qué son importantes estos límites? La razón principal es que dentro de estos límites, se ha demostrado que los aviones exhiben características de vuelo seguras. Los pilotos de pruebas, los fabricantes y la autoridad civil responsable han evaluado las características de los aviones en condiciones que incluyen exceder de forma inadvertida los límites de la envolvente de vuelo operacional para demostrar que los aviones pueden devolverse de manera segura al vuelo dentro de la envolvente de vuelo operacional.

Un poco de aerodinámica

Además de la gravedad y las fuerzas de empuje generadas por la planta motriz, las otras fuerzas que actúan sobre un avión se generan como resultado del cambio de presiones producidas en las superficies, que a su vez son el resultado del aire que fluye sobre ellas.

Ángulo de ataque y la pérdida

La mayoría de las superficies sustentadoras en aviones de transporte comercial moderno están cuidadosamente diseñadas para generar fuerzas de sustentación de manera eficiente. Las alas y las superficies de cola producen las fuerzas de la misma manera (las alas para arriba y la cola para abajo). La siguiente figura muestra una sección transversal de una superficie de sustentación y la definición familiar de ángulo de ataque versus sustentación.

La fuerza de sustentación generada por una superficie es función del ángulo de ataque, la presión dinámica (que es proporcional a la densidad del aire -Rho-  y el cuadrado de la velocidad verdadera) del aire que se mueve alrededor y el tamaño de la superficie (S). 

Es importante entender la dependencia de la sustentación con respecto al ángulo de ataque. La figura siguiente muestra cómo la sustentación varía con el ángulo de ataque siendo la velocidad y la densidad del aire constante. 

La importancia de esta dependencia incluyen el hecho de que con un ángulo de ataque cero, la sustentación no es cero porque la mayoría de las superficies de sustentación están curvadas. A medida que aumenta el ángulo de ataque, la sustentación aumenta proporcionalmente y este aumento de la sustentación generalmente es lineal hasta cierto punto. En el ángulo de ataque crítico, el aire que se mueve sobre la superficie superior ya no puede permanecer adherido a la superficie, el flujo se descompone, se hace turbulento y la superficie se considera en pérdida.

La forma del ala influye en la pendiente de la curva de sustentación como se ilustra en la figura que se ve debajo y en la que se muestra el coeficiente de sustentación (CL). La inclinación de la pendiente afecta la velocidad a la que la sustentación cambia debido al ángulo de ataque. El ala recta y las alas en flecha se comportan de forma diferente con ángulos de ataque más altos, lo que a su vez afecta el comportamiento de la pérdida. Para un ala recta, pequeñas diferencias en el ángulo de ataque producen cambios notables en la sustentación y, potencialmente, una recuperación más rápida cuando se reduce el ángulo de ataque. Las alas en flecha entran en pérdida con ángulos de ataque más altos y el momento en el que se desprende la capa límite puede no estar tan bien definido (región plana de la curva). En las las en flecha la región del ala que entra en pérdida es difícil de identificar cuando no se extienden flaps, slats o tren de aterrizaje.

Es necesario comprender que este desprendimiento del flujo y la consiguiente pérdida de sustentación depende únicamente del ángulo de ataque de la superficie. Si superamos el ángulo de ataque crítico la superficie entrará en pérdida y la sustentación disminuirá en lugar de aumentar. Esto es cierto independientemente de la velocidad o la actitud del avión o la forma del ala. Para mantener una fuerza de sustentación en las superficies aerodinámicas, el piloto debe asegurarse de que dichas superficies sean voladas con un ángulo de ataque por debajo del ángulo de pérdida.

En esta ilustración se puede ver que un avión con ala en flecha debe de volar con más AoA que un avión de ala recta para conseguir la misma sustentación. Esto es debido a la forma del ala (ver post dedicado a ello).

Dependiendo del contexto en el que se utiliza, los ingenieros especialistas en aerodinámica usan el término "ángulo de ataque" de varias maneras. El ángulo de ataque es siempre el ángulo entre el aire que se aproxima, o el viento relativo, y alguna línea de referencia en el avión o ala. A veces se hace referencia a la línea de cuerda en una ubicación particular en el ala; a veces a una línea de cuerda "promedio" o línea de cuerda media; otras veces se hace referencia a una línea de referencia conveniente en el avión, como el eje x de referencia del fuselaje.

Independientemente de la referencia, el concepto es el mismo que las consecuencias: superar el ángulo crítico de ataque significa que el fluido se separará de las superficies sustentadoras, lo que provocará una pérdida de sustentación en esas superficies. Con frecuencia, el término "ángulo de ataque del avión" se usa para referirse al ángulo entre el viento relativo y el eje longitudinal del avión. En dinámica de vuelo, se simplifica frecuentemente diciendo solo "ángulo de ataque" o AoA. No suele haber un indicador de ángulo de ataque en la mayoría de los aviones de transporte comercial.

Los tres ángulos generalmente referidos en el eje longitudinal son:

• Ángulo de ataque o AoA.
• Ángulo de trayectoria de vuelo (Flight path angle).
• Ángulo de cabeceo o pitch.

Estos tres ángulos y sus relaciones entre sí se muestran en la figura a continuación.

El pitch o ángulo de cabeceo es el ángulo entre el eje longitudinal del avión (o la prolongación de la cuerda media del ala) y el horizonte. Este ángulo se puede ver en el indicador de actitud u horizonte artificial. El ángulo de ataque (AoA) es la diferencia entre el pitch o ángulo de cabeceo (actitud) y el ángulo de trayectoria de vuelo sin tener en cuenta el viento. El ángulo de ataque determina si las superficies aerodinámicas del avión están en pérdida o no.

Ángulo de trayectoria de vuelo (llamado FPA) es el ángulo entre el vector de trayectoria de vuelo (llamado FPV) y el horizonte. Este también es considerado como el ángulo de ascenso (o ángulo de descenso). En vuelo recto y nivelado (FPA = 0), la actitud de cabeceo es igual al ángulo de ataque. Este ángulo esde mucha importancia para un piloto y se puede visualizar en el PFD o en el HUD, como se puede ver en la figura anterior.

El ala de un avión puede aproximarse al ángulo de ataque de la pérdida a cualquier velocidad (hay que tener en cuenta que a velocidades aerodinámicas por encima de la velocidad de maniobra (VA) o cerca de las velocidades máximas para los flaps (VFE), el ala puede generar suficiente sustentación como para causar fallos por sobrecarga estructural antes de alcanzar el puesto ángulo de ataque).

Un avión puede entrar en pérdida en cualquier actitud. Si el ángulo de ataque es mayor que el ángulo de pérdida, la superficie perderá sustentación. La figura siguiente indica que, independientemente de la velocidad del aire o la inclinación (pitch) del avión, el ángulo de ataque determina si el ala está en pérdida. Una pérdida se caracteriza por la presencia de cualquiera (o una combinación) de lo siguiente:

• Vibración o buffeting, que podría ser muy notable
• Falta de autoridad en cabeceo
• Falta de control de alabeo
• Incapacidad de detener el grado de descenso

Estas características suelen ir acompañadas de una advertencia continua de pérdida y, posiblemente, de la activación de un "empujador" (stick pusher) de la palanca de control (si es que el avión está equipado - en los E-Jet por ejemplo, esto no existe, y es tarea del piloto empujar los mandos hacia abajo si se activa el stick-shaker). No se debe confundir una pérdida con una advertencia de pérdida  que ocurre justo antes de la pérdida real y advierte sobre la proximidad de esta. Por ley, los aviones con pocas características de buffeting como las antes señaladas, deben de llevar instalado un sistema que avise al piloto de manera clara que se encuentra a un 5% de la pérdida verdadera. Este sistema es habitualmente el stick-shaker.

Las velocidades de pérdida se publican en el AFM para cada avión de transporte. Normalmente se pueden ver tablas con las velocidades a las que el avión entrará en pérdida en función del peso y el ángulo de los flaps.

La pérdida intencional controlada (...a una altura de seguridad)

Esta información es muy importante para el piloto y debe entenderse que estas velocidades se derivan muy cuidadosamente:

a.- Seleccionar el trim a 1.3 VS

b.- El CG debe de estar adelantado al centro de sustentación

c.- Tasa de desaceleración de 1 kt/seg.

d.- Aproximadamente 1 g de vuelo

e.- "Power-off" *

* Las velocidades de pérdida publicadas en el AFM son velocidades "Power-off" (sin empuje). La velocidad indicada en la pérdida disminuirá al aumentar el empuje o la potencia, y también variará con los otros factores de más arriba (a-d).

Los pilotos de turbohélice también deben tener en cuenta que el efecto de "sustentación causada por la hélice" puede activar la advertencia de pérdida a velocidades aerodinámicas indicadas muy por debajo de las velocidades de pérdida publicadas, debido a un aumento en la sustentación del flujo que fluye sobre el ala a cualquier ángulo de ataque. El efecto del empuje o la potencia en las velocidades cercanas a la pérdida no se puede considerar como velocidad mínima aceptable en cualquier fase de vuelo. Es más, no se debe de volar por debajo del llamado "Green Dot" o 1,3 Vstall, pues estaremos en la parte trasera de la famosa curva de resistencia/empuje.

La mayoría de los episodios de vuelo en actitudes extremas (upset) son de naturaleza bastante dinámica e implican factores de carga elevados y grandes tasas de cambio de velocidad. Los pilotos no deben esperar que el avión permanezca sin entrar en pérdida por el simple hecho de que la velocidad indicada es más alta que la velocidad de pérdida publicada en el AFM, porque las condiciones pueden ser diferentes. Como se comentaba más arriba, todas las aeronaves de la categoría de transporte civil están certificadas para generar una advertencia (warning) adecuada de que se está aproximando de forma inminente una pérdida. Esto le debe dar al piloto la oportunidad de recuperarse disminuyendo inmediatamente el ángulo de ataque. Ya sea mediante un buffet aerodinámico natural o por medio de un sistema de vibración del mando de vuelo u otros dispositivos, la advertencia le dice al piloto que el ángulo de ataque se acerca al punto de pérdida.

Por ley, la advertencia debe de ser en una forma que no sea visual. El piloto no debe de necesitar tener que mirar un instrumento, medidor o indicador en particular. La advertencia debe de ser táctil o sonora: el piloto puede sentir o escuchar la advertencia de pérdida con suficiente tiempo como para poder recuperarse rápidamente. Los pilotos deben ser especialmente conscientes de las señales de advertencia de pérdida que están instaladas en los aviones que vuelan. Cualquier advertencia de pérdida debe tomarse como una indicación para disminuir el ángulo de ataque a menos que se indique lo contrario en un procedimiento OEM. El ángulo de ataque al que un ala entra en pérdida también se reduce al aumentar número de Mach, de modo que a un Mach alto (normalmente, gran altitud), un avión entrará en pérdida a un ángulo de ataque menor que el ángulo de ataque para esa pérdida a números de Mach inferiores.