Modelo de Energía Maniobra (EM) Parte I

Para poder entender bien el concepto Energía Maniobra (EM) tenemos que empezar por familiarizarnos con lo que decíamos en otro post sobre las dos energías que puede gestionar un piloto. Estas son la altitud y la velocidad. Vamos a volver a explicarlo de una forma sencilla con dos gráficos, puesto esto es realmente el fundamento del vuelo.

El combustible ayuda a conseguir el empuje necesario para ganar altura o velocidad (o ambas), pero una vez utilizado, este no puede utilizarse para nada más. Por eso decimos que la energía química contenida en el combustible no es intercambiable. De esto también hablamos en otro post. Debajo se puede ver una visión conceptual de lo que se entiende como gestión de energía en vuelo. Nótese que la resistencia (Drag) resta eficacia al empuje.


Se puede ver el mismo concepto en una forma mucho más esquemática o formal (sin llegar ninguna fórmula) debajo. Es lo que se conoce como la analogía de los depósitos o contenedores de energía. Donde la letra E representa un tipo de energía, T es el empuje (Throttle) y D es la resistencia al avance.


La analogía de los contenedores o depósitos de energías describe el papel que juegan el empuje (Throttle) y el elevador en el control de la energía de una aeronave. El empuje (Throttle) controla la "válvula" que regula el flujo de energía total o energía neta, mientras que el elevador controla la "válvula" que regula la distribución de energía entre la altitud y la velocidad del aire. Las flechas representan flujos de energía, no una dirección relativa de fuerzas o flujos de aire. Hay que tener en cuenta que los flujos de energía de empuje (ET) y de resistencia (ED) son unidireccionales. 

Una vez que la energía del combustible se convierte en empuje, no puede volver a los tanques de combustible. Del mismo modo, la energía perdida a través de la resistencia es irrecuperable. En contraste, el flujo de energía total o energía aprovechable ET-D (es el resultante de la diferencia entre empuje y resistencia), así como los flujos de energía de altitud (Epot) y la velocidad (Ecin) pueden cambiar de dirección a medida que la energía se mueve hacia dentro o hacia fuera de los depósitos. Finalmente, hay que darse cuenta de que la energía almacenada también puede intercambiarse entre depósitos sin perderse. Una vez entendidos los flujos de energía podemos pasar a explicar el concepto EM. 

Los investigadores del departamento defensa de los Estados Unidos han estado interesados durante mucho tiempo en predecir las trayectorias óptimas de los aviones de caza durante el combate aéreo. Los modelos de combate aéreo se basan en parte en la teoría de la maniobrabilidad energética (EM), un concepto importante que vincula el estado energético de un avión con su rendimiento potencial (ver el libro de Shaw, 1985). Basados en esto, los pilotos de combate usan tácticas de gestión de energía para maniobrar y superar a sus oponentes durante el combate aéreo.

Uno de los padres de esta teoría fue John Richard Boyd (23 de enero de 1927 - 9 de marzo de 1997), piloto de combate muy respetado en la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Boyd participó en la Guerra de Corea, pero es mucho más conocido por haber sido también estratega militar y asesor del Pentágono. Sus teorías han sido muy influyentes en el ámbito de la aviación militar de la segunda mitad del siglo XX. Boyd inspiró el conocido programa Lightweight Fighter (LWF) que dio lugar al famoso y súper ágil General Dynamics F-16 Fighting Falcon y al poderoso y versátil McDonnell Douglas F/A-18 Hornet. Durante la década de 1960, Boyd y el matemático Thomas P. Christie desarrollaron la teoría de la Maniobrabilidad basada en la Energía, conocida también como teoría E-M del combate aéreo.

¿Qué dice esta teoría y por qué es importante para debatir sobre aviones?

La teoría de la maniobrabilidad basada en la energía es un modelo del rendimiento de la aeronave. Es muy útil para describir el rendimiento de un avión como el total de energía cinética y potencial o energía específica de la aeronave. Relaciona en una sola fórmula el empuje, el peso, la resistencia aerodinámica, el área del ala y otras características de vuelo de una aeronave en un modelo cuantitativo. Esto permite, entre otras cosas, predecir y comparar las capacidades de combate de varias aeronaves. También permite saber lo que ganamos y lo que perdemos en términos de energía al hacer modificaciones a las aeronaves. Todos estos aspectos del rendimiento del avión se comprimen en un valor único mediante la siguiente fórmula:


Donde:

  • Ps es la energía (aunque dimensionalmente tiene unidades de velocidad)
  • V es la Velocidad
  • T es empuje (Thrust en inglés)
  • D es la resistencia (Drag en inglés)
  • W es el peso (Weight en inglés)
La teoría E-M se convirtió en el estándar mundial para el diseño de aviones de combate, pero también es muy útil en aviación comercial para entender las capacidades de nuestra aeronave.

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Comentarios

  1. Con el mayor de los respetos, creo que también tuvo algo que ver con el f15, "wikipedia dixit". Saludos.

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    1. Hola querido amigo. Efectivamente, el F-15 fue un avión pensado desde el principio con esta teoría en mente. El diseño inicial de lo que más tarde llegaría a ser el F-15 data de mediados de los 60. En este diseño se procuró aplicar todo lo que se conocía hasta entonces sobre este tema. También fue el primer caza en el que se puso en práctica el concepto HOTAS ya comentado en este blog. El problema del F-15 es que en ciertos aspectos era muy grande y pesado ...y caro, lo que dio lugar a que se desarrollaran los programas LWF de donde proceden los F-16 y F-18. Todos estos modelos son hijos de la teoría EM + HOTAS. En siguientes artículos desarrollo algo más la idea.
      Un cordial saludo
      Manolo

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